Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Асфальтобетон. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

микрометра на частицах порошка до десятков микромет-

Размеры

частиц

Материал

Извест-

няк

Гра-

нит

Кварце-

вый

песок

< 0,071

470

290

190

0,63-1,25

5,5

6,5

5,8

15-20

0,44

ров на зёрнах щебня.

Мелкие известняковые частицы формируют плёнку несколько большей толщины, чем гранитные, а на щебёнках из гранита плёнки толще, чем на крупных зёрнах известняка. Это объясняется тем, что в мелких частицах в наибольшей степени проявляется химическая природа минерального материала, а в крупных – шероховатость поверхности зёрен.

Таблица 3.1.2. Удельная поверхность, м2/кг,

минеральных материалов

Удельные

поверхности

некоторых

фракций ис-

следованных выше минеральных ма-

териалов представлены в таблице 3.1.2.

Толщина битумной плёнки на минеральных зёрнах за-

висит также от вязкости битума: от марки БНД 90/130 до БНД 200/300 толщина плёнки уменьшается на 10 %.

Физическое взаимодействие битума с минераль-

ными материалами обусловлено адсорбционной способностью органического вяжущего, в результате чего на поверхности минеральных зёрен формируются адсорбционные слои: ориентированный и объёмный (рис. 3.1.1).

В ориентированном слое выделяются три зоны с ха-

рактерными структурой и физико-механическими свойствами: твёрдообразную, структурированную и диффузную.

Твёрдообразная зона, граничащая с поверхностью

минерального материала, представляет собой адсорбцион- ный слой, предельно насыщенный асфальтенами. Её толщина на минеральных зёрнах не превышает долей микрометра.

Рис. 3.1.1. Строение плёнки битума на минеральном

зерне:

I – ориентированный слой; II – объёмный битум;

Iа – твёрдообразная зона; Iб - структурированная зона;

Iв – диффузная зона

Структурированная зона состоит из упорядоченно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных к минеральному зерну. Толщина зоны не превышает 1…2 мкм.

Диффузная зона представлена слабым упорядоче- нием высокомолекулярной части битума, переходящей в объёмный битум. Резкого перехода между слоями и зонами внутри слоя нет.

Сцепление битума с каменным материалом и, следо-

Рис.3.1.2. Структура

битума при взаимодействии с минеральным материалом (в контактном слое):

1 – структурированный битум; 2 – объёмный битум; δ – общая толщина битумной плёнки; Rб – прочность битумной плёнки; ρ – плотность битума; Х – расстояние от поверхности мине-

рального материала

вательно, прочность асфальтобетона зависит от ориентированного слоя. Величина ориентированного слоя в зависимости от природы и размера зёрен, а также от содержания в битуме асфальтенов может меняться от долей микрометра до нескольких микрометров (3…6 мкм).

В объёмном битуме, в силу отдалённости от поверхности минеральных частиц, находится значительно меньше ориентированных к ним асфальтенов и смол, и объёмный битум, раздвигая зёрна, не играет значительной роли в обеспечении прочности асфальтобетона (рис. 3.1.2, рис.3.1.3)

Необходимо стремиться к тому, чтобы отдельные минеральные зёрна соприкасались между собой по слою ориентированного битума. Наибольшей прочностью обладает асфальтовяжущее вещество, в котором толщина плёнки менее 1 мкм.

Чем меньше частицы минерального материала, тем выше их структурирующее действие на битум; чем крупнее частицы, тем в большей степени играют роль их механические свойства

Рис. 3.1.3. Изменение прочности битумной плёнки (Rб)

в зависимости от расстояния от поверхности

минерального материала для различных марок битума

Химическое взаимодействие битума с минераль- ным материалом характерно при контактном взаимодействии минеральных материалов из карбонатных горных пород (у которых поверхностный заряд положительный) с битумами, содержащими анионактивные ПАВ (асфальтогеновые, нафтеновые кислоты и т.п.), имеющими отрицательный электрический заряд. Такие контакты приводят к образованию на границе раздела фаз новых прочных химических соединений, способствующих образованию устойчивых хемосорбционных (химических) адгезионных контактов.

Между известняком и битумом, содержащим, например, асфальлтогеновые кислоты, происходит реакция с образованием кальциевых мыл:

CaCO3 + 2RCOOH = Ca(RCOO)2 +H2O + CO2 ,

где RCOOH - асфальтогеновая кислота, Ca(RCOO)2 – кальциевое мыло, нерастворимое в воде.

В этом случае битумные плёнки, образованные на поверхности минеральных частиц, становятся полностью

гидрофобными.

При объединении битума с кислыми минеральными материалами, богатыми кремнезёмом (SiO2), частицы которого имеют на поверхности отрицательны заряд, хемосорбционные адгезионно-устойчивые соединения не образуются. В этом случае прочность сцепления битумной плёнки и поверхности кислых материалов пониженная, особенно в присутствии воды, так как обусловлена лишь физической адсорбцией. Для усиления адгезии битума к кислым минеральным материалам (гранитный щебень, кварцевые пески) в смесь вводят катионактивные ПАВ. Только тогда возможно образование прочных химических соединений:

SiO2 + RNH

→ NH3O2 .

Катионовые ПАВ улучшают прилипание не только к породам, богатым кремнезёмом, но и к карбонатным. В известняке, например, всегда имеются примеси кремнезёма, которые создают отрицательно заряженные центры на поверхности частиц.

Фильтрация битума и его компонентов внутрь минеральных зёрен зависит главным образом от их пористости. Наиболее подвижный компонент – масла – проникают по капиллярам внутрь зерна на наибольшую глубину. Смолы из-за меньшей подвижности и большей адсорбционной активности проникают в зёрна на меньшую глубину. Поверхностный слой на таких зёрнах обогащён асфальтенами, в результате битумные плёнки становятся более жёсткими и менее эластичными, что повышает хруп-

кость асфальтобетона. При применении таких минеральных материалов вязкость битумов должна быть меньше на 10…15 %, чем битумов, применяемых в асфальтобетонах на плотных заполнителях.

3.2. Структура минерального остова в асфальтобетоне

Структура асфальтобетона, его внутреннее строение, определяется качеством и количеством составляющих, их сочетанием, размещением и связями между ними. В силу полидисперсности минеральных составляющих (размеры минеральных зёрен изменяются в пределах от 10-3 до 40 мм) асфальтобетон представляет собой полиструктурный материал, когда одна структура располагается в другой:

- микроструктура, состоящая из битума и наполни-

теля (минерального порошка), выполняет роль связующего (асфальтовяжущего вещества) и соединяет в монолит мелкий и крупный заполнитель;

- мезоструктура, состоящая из песка и связующего,

заполняет пустоты в щебне и обеспечивает требуемую плотность материала;

- макроструктура, формируется из крупного и мел-

кого заполнителей, обеспечивает прочность материала и предопределяет структуру и текстуру асфальтобетона.

Макроструктура формируется щебнем, который рассматривается как основной структурообразующий элемент асфальтобетона. Его назначение заключается в формировании пространственного каркаса, обеспечивающего прочность асфальтобетона.

При незначительном содержании щебня образуется бескаркасная структура. Свойства асфальтобетона определяются свойствами асфальтового раствора, поскольку

зёрна щебня являются отдельными вкраплениями, «плава-

а б в

ющими» в растворной части (рис. 3.2.1 а), не оказывающими в этом случае существенного влияния на свойства асфальтобетона, поскольку разделены толстыми прослойками раствора и являются своего рода инертным заполнителем.

Дальнейший рост содержания щебня приводит к возникновению контактов между зёрнами через тонкие плёнки ориентированного битума (рис. 3.2.1 б).

Порог формирования точечных контактов в асфальтобетоне наступает при содержании щебня более 45 %.

Рис.3.2.1. Схема структуры асфальтобетона:

а - бескаркасный (песчаный асфальтобетон); б – полукаркас-

ный асфальтобетон; в – каркасный минеральный остов

При увеличении щебня до 55…65 % в асфальтобетоне формируется пространственный каркас из плотно упакованного щебня (рис.3.2.1 в).

Наиболее характерным представителем каркасных асфальтобетонов является щебёночно-мастичный асфальтобетон, содержащий до 80 % щебня. Достоинство каркасного минерального остова состоит в том, что при нём повышается сдвигоустойчивость асфальтобетона.

Механизм сопротивления асфальтобетона транс- портным нагрузкам зависит от его структуры. В случае ма-

лощебенистого бескаркасного асфальтобетона напряжения передаются на асфальтовый раствор, при этом прочность щебня не имеет первоначального значения. Во избежание деформаций при положительных температурах применяют высоковязкий битум и большое количество минерального порошка. Известно, что минеральный поро-

шок структурирует битум, тем самым повышает его температуростойкость.

В многощебенистых каркасных асфальтобетонах зёрна щебня контактируют друг с другом через тонкие прослойки битума. Прочность, устойчивость покрытия в этом случае зависит прежде всего от механических свойств щебня.

Вопросы для самопроверки

1. От чего зависит распределение битумной плёнки

на поверхности минерального материала?

2. Какие абсорбционные слои и зоны битума образу-

ются на поверхности минеральных зёрен и их роль в обеспечении прочности асфальтобетона?

3. Какие виды структур различаются в асфальтобе-

тоне?

4. От чего зависит механизм сопротивления асфаль-

тобетона транспортным нагрузкам?

4. СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА

Асфальтобетон в дорожном покрытии, кроме воздействия автомобилей, подвергается сезонным температурным климатическим воздействиям, солнечной инсоляции, воздействию атмосферных и талых вод (в том числе и в виде солевых растворов антигололёдных компонентов), попеременному замораживанию и оттаиванию.

Асфальтобетон в конструкции в зависимости от температуры и условий деформирования может находиться в следующих структурных состояниях:

- упругохрупком, при котором минеральный остов

строго фиксирован застеклованными прослойками битума. В этом случае асфальтобетон по свойствам приближается к цементобетону и другим искусственным материалам с кристаллизационными связями;

- упругопластичном, когда зёрна минерального остова

соединены прослойками битума, которые проявляют при напряжениях, не превышающих предел текучести, упругие и эластичные свойства, а при больших напряжениях – упруговязкие свойства;

- вязкопластичном, при котором зёрна минерального

остова соединены полужидкими прослойками битума и небольшое напряжение приводит к деформированию материала.

4.1. Физико-механические свойства асфальтобетона

Прочность – способность сопротивляться внешним нагрузкам - ведущий показатель механических свойств строительного материала, в том числе и асфальтобетона.

Для асфальтобетона как для термопластичного материала различают два вида потери прочности: в упругой стадии, приводящей к образованию трещин и разрушению покрытий, и в пластической стадии, приводящей к возникновению деформаций, потере сдвигоустойчивости, нарушающих нормальную эксплуатацию конструкции.

Особенностью разрушения асфальтобетона по сравнению с цементобетоном и другими подобными материалами является резко выраженная зависимость прочности от времени действия нагрузки и температуры. Одноразовое воздействие транспортных и температурных нагрузок

не приводит к появлению трещин на покрытии. Для этого требуется многократное силовое воздействие, постепенно накапливающее усталость материала, что завершается разрушением (рис. 4.1.1). Усталость характеризует постепенное снижение работоспособности асфальтобетона при длительно действующих нагрузках или многократно повторяющихся нагрузках. Показателем усталостной проч- ности является число циклов нагружений образца ас-

фальтобетона до его разрушения при заданном напряжении.

Рис. 4.1.1. Схема образования чащи прогиба и разрушения не-

жёстких дорожных одежд под колесом автомобиля:

1 – колесо; 2 – прогиб дорожной одежды; 3 = сжатие шины;

4 – дорожная одежда; 5 – земляное полотно; 6 – чаша про-

гиба; 7 – зона растяжения и трещины в одежде; 8 – выпира-

ние грунта; 9 – направление сжатия грунта

Разрушение асфальтобетона под действием приложенной нагрузки представляет собой развивающийся во времени процесс. Таким образом, механические свойства асфальтобетона характеризуются не только разрушающим напряжением, но и длительной прочностью - временем, в течение которого асфальтобетон выдерживает заданное напряжение без разрушения.

Оценку прочности асфальтобетона дают при следующих критических условиях:

- повышенной температуре, когда когезия вяжущего

минимальна (летом при дневной температуре 30…32ОС асфальтобетон нагревается до 50 ОС и более);

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]