27. Общие основы технологии асфальтобетона

Теоретические положения. Техноло­гия — совокупность методов обработки, изготовления, изменения свойств исход­ных материалов, применяемых в про­цессе производства для получения го­товой продукции.

Технология — наука о способах воз­действия на сырье и материалы соот­ветствующими орудиями производства.

Технология асфальтобетона — сово­купность методов подготовки щебня, пес­ка, минерального порошка и битума, их смешения, укладки и уплотнения до за­данной плотности. Цель технологии ас­фальтобетона — получение материала с те­ми свойствами, которые были запроек­тированы, т. е. с заданными свойствами. Поставленная цель достигается направлен­ным структурообразованием асфальтобе­тона на всех периодах технологического процесса:

подготовительном, когда происходит выбор и подготовка компонентов и про­ектирование состава асфальтобетона;

основном — при производстве на ас­фальтобетонном заводе, когда происходит формирование микроструктурных свя­зей;

завершающем при строительстве, когда формируется макроструктура;

эксплуатационном, при котором происходит стабилизации структуры и свойств асфальтобетона в покрытии под движением автомобилей.

Каждый период структурообразования влияет на комплекс свойств систе­мы. Однако принимая какое-либо реше­ние, следует учитывать не только прямое, но и обратное влияние проектируемых свойств материала на выбор того или ино­го технологического параметра. Следова­тельно, чтобы получить материал с задан­ными свойствами, необходимо прогнози­ровать поведение сложной системы, управ­лять технологией.

Первый (основной) период техноло­гического процесса охватывает подогрев материала до заданной температуры, дози­рование, смешение компонентов и транс­портирование смеси к месту укладки. В этот период основная задача технологии заключается в разрушении первичных точечных контактов между частицами, равномерном распределении всех ком­понентов в смеси и обволакивании минеральных зерен битумом. Нормальное протекание процесса структурообразования обусловливается прежде всего хоро­шим смачиванием битумом минерального материала.

Ухудшает смачивание наличие на по­верхности минерального материала воды, адсорбируемой из воздуха, водной пленки вследствие плохого просушивания мине­рального материала, загрязнения пылью зерен щебня. Улучшение смачивания биту­мом минерального материала достигается предварительной обработкой его уг­леводородной жидкостью или активацией. Хорошее смачивание минеральных материалов — не­обходимое условие для получения ма­териала с заданными свойствами, но не­достаточное. Смачивание лишь обеспечи­вает полное обволакивание минеральных зерен битумом, в результате чего форми­руется ориентированный слой битума и происходит химическое взаимодействие битума с минеральным материалом.

При транспортировании смеси проис­ходит дальнейшее распределение битума в асфальтобетонной смеси, а при длитель­ной перевозке возможно расслоение. Во второй (завершающий) период, который охватывает укладку и уплотне­ние асфальтобетонной смеси, происходит дальнейшее формирование микрострук­турных связей и вследствие приложения нагрузки - сближение зерен до макси­мальной плотности.

При сближении частиц происходят физические процессы в пленке битума, приводящие к выжиманию ее из зон по­вышенного напряжения. Свободный битум заполняет межзерновое пространство, на частицах остается пленка ориентирован­ного битума, при этом коагуляционные связи в асфальтобетоне упрочняются, прочность всей системы возрастает. В ас­фальтобетоне с содержанием щебня более 50 % при уплотнении жестко барабанным и тяжелыми катками происходит частичное вырождение коагуляционных контактов в конденсационные. Ориентированный слой битума не выдавливается, а продав­ливается с разрушением контактной зоны зерен щебня. Во избежание этого необхо­димо уплотнять асфальтобетонные смеси пневматическими вибрационными катка­ми.

Процесс уплотнения можно регулиро­вать за счет изменения температуры ас­фальтобетонной смеси. В общем случае повышение температуры влечет за собой снижение работы уплотнения. Однако не­достаток когезионной прочности битума при высокой температуре может снизить способность к уплотнению асфальтобето­на, так как когезионная прочность битума связана с температурой: чем выше тем­пература, тем ниже когезионная прочность. Поэтому уплотнение необходи­мо производить не при максимальной температуре асфальтобетонной смеси, а при оптимальной. Естественно, что опти­мальная температура смеси связана с вязкостью битума, типом смеси и уплот­няющими средствами. Наличие в отряде пневмо- и виброкатков позволяет вести уплотнение при более низких температу­рах смеси.

Прочность и долговечность асфальто­бетона, уплотненного до проектной плот­ности при невысоких температурах, как правило, выше, чем бетона с той же плот­ностью, но уплотненного при высокой температуре. Выбор уплотняющих средств зависит от типа макроструктуры асфальтобетона. При базальной макроструктуре уплотне­ние требует меньше энергии, чем при поровой и контактной. С увеличением крупности щебня затраты работы на уплотнение возрастают, так как увеличи­вается толщина слоя свободного биту­ма на щебне и внутреннее трение смеси.

Следовательно, при уплотнении асфальтобетонных смесей необходимо стре­миться к тому, чтобы когезионная проч­ности слоя адсорбированного битума была достаточно велика, а вязкость наружно­го слоя свободного битума минимальна. Увеличение вязкости адсорбированного слоя можно достигнуть за счет двойней обработки минеральных материалов би­тумом. Вначале минеральный материал в мешалке смесителя обрабатывается вяз­ким битумом, после полного обволаки­вания частиц вводится пластификатор (полувязкий или жидкий битум). Дей­ствие пластификатора сводится к раз­мягчению поверхности слоя битума, по­вышению его "смазывающего" действия при уплотнении.

У плотня см ость связана с природой каменного материала и битума. Хорошее взаимодействие между каменным мате­риалом и битумом, образующими асфаль­тобетонную смесь, в большей мере спо­собствует получению монолита из смеси. Так, например, уплотняемость асфальто­бетона на известняковом материале лучше, чем на материалах из песчаника. Кроме того, уплотняемость асфальтобетонных смесей связана с формой частиц. Наличие природ­ного окатанного песка в смеси снижает работу уплотнения. Песчинки служат шар­нирами, по которым перекатываются более крупные шероховатые и угловатые частицы. Поэтому чем больше в смеси окатанных зерен, тем быстрее и при мень­шей затрате работы можно их уплотнять.

Если для первого периода (основно­го) главным условием получения высо­кокачественной смеси является примене­ние битума с предельно разрушенной структурой, то для второго (завершаю­щего) - оптимальная вязкость битума, функционально обусловливаемая видом асфальтобетона и уплотняющими средства­ми. В конце сближения структурных эле­ментов горячий асфальтобетон должен об­ладать проектной прочностью и плот­ностью.

При эксплуатации асфальтобетона в дорожном покрытии проектная плотность в полосе наката достигается за 2 ... 3 мес, а у бортовых камней к по оси дороги при благоприятных условиях — за 4 ... 5 лет. При неблаголриятных усло­виях асфальтобетон в этих местах ше­лушится и выкрашивается. Поэтому, при­меняя горячий асфальтобетон, необходимо уплотнять смесь до проектной плотности, что обеспечивает равнопрочность покры­тия и повышает прочность конструкции в целом.

Третий (эксплуатационный) период характеризуется дальнейшим формирова­нием структуры асфальтобетона под дви­жением автомобилей, при котором про­исходит доуплотнение покрытия в ре­зультате увеличения вязкости битума за счет внутренних необратимых процессов и упрочнения связей на границе раздела минеральный материал — вяжущее; проис­ходит дальнейшая стабилизация ориенти­рованного слоя битума или появление новообразований в зоне контакта. В за­висимости от условий среды, а также свойств минерального материала и биту­ма эти процессы проходят одновремен­но или возможно преобладание одного из них. Так, в асфальтобетоне на извест­няковом щебне вязкость вяжущего за счет окисления последнего изменяется незначительно. Минеральный материал из кислых горных пород не вызывает актив­ной сорбции вяжущего , которое, находясь в свободном состоянии, будет интенсив­но изменяться под влиянием атмосфер­ных факторов.

Если правильно выбраны составы сме­сей и все режимы технологических про­цессов выдержаны, то асфальтобетон в покрытии под воздействием автомобилей лишь упрочняется. Если же на каком-ли­бо этапе допущено отклонение от задан­ного режима, то в этот заключительный период происходит разупрочнение структуры асфальтобетона. Наиболее распространенным отступлением является недоуплотнение.

Массовые разрушения асфальтобетона в начальный период эксплуатации свя­заны с малыми водо- и морозостойкостью пористого асфальтобетона. Даже незначи­тельное недоуплотнение асфальтобетонной смеси, приготовленной на гидрофильных минеральных материалах, приводит к рез­кому снижению водо- и морозостойкости.

Свойства стабилизируются на протя­жении всего жизненного цикла асфаль­тобетона в покрытии или в другом кон­структивном слое в зависимости от изме­нений свойств вяжущего под воздейст­вием атмосферных факторов и струк­туры минерального материала.

Повышение прочности асфальтобето­на, характер которого одинаков для всех типов асфальтобетонов, на первом эта­пе третьего периода структурообразования определяется скоростью изменения вяз­кости битума при охлаждении. После охлаждения асфальтобетона формирова­ние его структуры характеризуется более равномерным нарастанием прочности, обусловленным двумя факторами: повы­шением вязкости битума за счет улету­чивания легких углеводородов; упроч­нением связей на границе минеральная часть — вяжущее в результате полной стабилизации ориентированных молекул битума или появления их новообразо­вания в зоне контакта. В зависимости от условий среды, а также свойств ми­неральных материалов и битума эти про­цессы могут проходить одновременно, но чаще преобладает один из них. Так, в асфальтобетоне на минеральном материале из плотного известняка вязкость битума за счет окисления изменяется незначи­тельно, поскольку наиболее реакционно способные компоненты вяжущего хими­чески взаимодействуют с подложкой. Гранитные и кварцевые материалы не вступают в химическое взаимодействие с битумом, поэтому вязкость битума в этом случае более интенсивно изменя­ется под воздействием атмосферных факторов

Если правильно рассчитаны составы асфальтобетонных смесей и конструкция дорожной одежды соответствует движу­щимся транспортным средствам, то про­должительность третьего периода — пе­риода эксплуатации асфальтобетонного покрытия - превышает 30 лет. Падение устойчивости материала (отказ) объяс­няется только необратимыми изменения­ми, происходящими в битумной пленке на зернах минерального материала.