Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

Это объясняется тем, что  битум также можно рассматривать  как дисперсную систему, состоящую  из асфальтеновой и мальтеновой час­тей. Установлено, что на поверхности зерен высока концентрация смолисто-асфальтеновых компонентов (структурированный или пленоч­ный битум), а в периферийной части оболочки преобладает концентра­ция масляной фракции, что характеризует объемный (или «свободный») битум.

При объединении минерального материала с битумом, наряду с  сорбционными процессами, может иметь  место и капиллярная диффу­зия более легких компонентов битума в минеральные зерна (в частно­сти, при тонкопористой их текстуре, например, у некоторых известняков, песчаников, металлургических шлаков). Интенсивность диффузионных процессов зависит от количества и характера пор зерен минерального материала, смачиваемости битумом их поверхности, тем­пературных и других факторов.

Процессы сорбции битума зависят от свойств поверхности  мине­ральных зерен и битума, в котором наибольшую активность проявляют высокомолекулярные соединения, содержащие активные функциональ­ные группы (OH,COOH,NH2) Наиболее активной частью группового со­става битумов являются асфальтено-смолистые группы и наименее ак­тивными - масла. Адсорбционно-сольватная оболочка битума характе­ризуется наибольшей плотностью и прочностью на поверхности мине­ральных зерен.

Хорошее прилипание (адгезию) битума, как правило, имеют основ­ные карбонатные породы (известняки, доломиты). Кислые кварцевые породы (в особенности кварцевые песчаники, кварциты) сорбируют битум слабее, при этом адсорбционно-сольватные оболочки битума обладают слабой адгезией к поверхности зерен. Капиллярно-пористая поверхность минеральных зерен при прочих равных условиях значительно увеличивает прилипание битумной пленки.

Однако известны случаи, когда битум удовлетворительно  прили­пает к щебню из кислых горных пород, и плохо к щебню из основных. А И. Лысихина  приводит пример с кварцевым песком, который по содержанию кремнезема относился к кислым горным породам, но имел хорошее сцепление с битумом. Прилипание обуславливалось наличием на этом песке тончайших пленок оксидов или гидратов оксидов железа, алюминия и аморфного кремнезема.

Для полиминеральных горных пород на процессы физико-химического  взаимодействия их с битумами влияет их структура и тек­стура. Вопросы микромозаичности поверхности и ее взаимодействия с битумами и ПАВ рассмотрены в работах Е.Д. Яхнина и других исследователей.

Формирование микроструктуры асфальтобетонных смесей и ее разрушение под воздействием эксплуатационных факторов могут быть описаны и  количественно оценены с позиций  теории структурообразо-вания высококонцентрированных дисперсных систем. Академик П.А Ребиндер отмечал, что особенность таких и подобных им разнообраз­ных дисперсных материалов состоит в том, что для них характерно вы­сокое значение поверхности раздела твердой фазы и структурирован­ного органического вяжущего - битума.

По мнению профессора К.Б. Урьева объемные свойства битумоминеральных  материалов существенным образом зависят  от поверхно­стных явлений на межфазных границах.

Асфальтобетонные смеси  и асфальтобетон в различных  техноло­гических и эксплуатационных ситуациях можно рассматривать как высо­коконцентрированные дисперсные системы, свойства которых во многом зависят от физико-химических процессов, происходящих при формиро­вании материала и дальнейшем воздействии разнообразных эксплуата­ционных факторов Оценку этих процессов нельзя производить без уче­та основных законов физико-химической механики и специфики контакт­ных взаимодействий. При этом нельзя не учитывать законо­мерностей, установленных исследователями школы академика П.А. Ребиндера.

Каждая составляющая асфальтобетона вносит определенный вклад в формирование его структурно-механических и строительно-технических  свойств. Известно, что адсорбционно-сольватный тонкий слой (АСС) битума образуется на поверхности минеральных зерен  в результате межмоле­кулярного взаимодействия. Свойства этого поверхно­стного (пограничного) слоя битума отличаются от свойств «свободного» объемного битума.

Профессор В.А. Золотарев  предложил уравнение прочности  асфальтобетона с учетом роли его  структурообразующих компонентов, из которого следует, что прочность  асфальтового бетона не может быть больше прочности асфальтовяжущего оптимальной структуры. По его мнению, именно свойства асфальтовяжущего вещества (ABB) вносят наибольший +вклад в формирование физико-механических свойств ас­фальтобетона.

По мнению В.А. Золотарева, до критической концентрации порошка  соответствующей началу контакта по адсорбционно-сольватным сло­ям (АСС), наблюдается слабое изменение всех свойств. С момента Достижения критической концентрации, когда вступают в контакт АСС вяжущего, темп изменения свойств резко ускоряется. Это подтверждается кривой структурообразования и количественной взаимосвязью свойств асфальтобетона со свойствами АСС, важнейшими из которых являются его толщина δacc и прочность Racc Это подтверждается по­лученной им обобщенной зависимостью прочности асфальтовяжущего от содержания известняка и битума. Установлены экспоненциальные зависимости, связывающие толщину и прочность АСС с условной вязко­стью битумов. Свойства последнего в наиболее значительной степени определяют механические и физические свойства асфальтобетона. Управление свойствами асфальтобетона может происходить через ре­гулирование свойств контактной зоны.

При малом заполнении минеральные  частицы высокодисперсного наполнителя  взаимодействуют по прослойкам малоструктурированного битума с изменением вязкости по уравнениям Эйнштейна и Бэтчелора .

При большом содержании наполнителя  частицы с образовавши­мися на них структурными оболочками с высокоструктурированным би­тумом взаимодействуют друг с другом по микроконтактам диаметром di. При этом образуется новая коагуляционная структура с участием в качестве центров структурообразования зерен активного наполнителя. Это взаимодействие ослабевает с увеличением температуры.

На технологической стадии при приготовлении и уплотнении ас­фальтобетонных смесей пластификация, необходимая для однородного перемешивания компонентов, достигается нагревом смеси и изменени­ем содержания каркасных зерен грубодисперсных компонентов. В про­цессе уплотнения смеси происходит увеличение степени наполнения.

Е.Д. Яхнин исследовал процессы структурообразования и форми­рования адсорбционных слоев поверхностного модификатора. Экспери­ментально определялась адсорбция поверхностно-активных веществ, удельный объем и предельное напряжение сдвига. Автором дано объяснение механизма заполнения поверхности минеральных частиц с учетом мозаичного строения адсорбционного слоя. Произведена оценка вероятности встречи и сцепления частиц по различным микроучасткам их поверхности, определяющим долю прочных лиофобных связей в единице объема структурированной системы и ме­ханические свойства микроструктуры.

В другой работе Е Д. Яхнин предложил схему приближения оценки прочности дисперсной системы с учетом реального распределения сил взаимодействия между ее элементами. Для некоторых типов коа-гуляционных и конденсационных структур можно приближенно считать равномерным и постоянным одноосное распределение нагрузки по кон­тактам общим числом п Тогда:

Pm=nPi,

где рт _ предельное напряжение сдвига; Р, - прочность единичного контакта (величина непостоянная, которая может изменяться в пределах 3-5 порядков за счет крайней физико-химической не­однородности твердых поверхностей реальных материалов), п

- число контактов.

На единичный контакт  внешняя нагрузка F даст усилие Fc

Fc = F/n

 

Так как прочность различных  контактов различна, то часть контак­тов числом Я может не выдержать нагрузки и разрушиться, тогда на-

фузка распределится на оставшиеся контакты числом (n - k)

Fc(k) = Fc/(n - k)

 

Предельное напряжение сдвига может быть количественно оцене­но различными экспериментальными методами.

Е.Д.Яхнин и А.Б. Таубман оценили микромозаичное строение по­верхности адсорбированно-модифицированных слоев частиц дисперс­ной фазы и ее роль в структурообраэовании. Ими вскрыты причины "микронеоднородности" и избирательной адсорбции ПАВ Это:

- энергетическая неоднородность,

- разная адсорбционная  активность граней кристаллов;

- сколы разного направления  аморфных тел, имеющих различную  активность.

П.А.Ребиндер, Н.Б.Урьев и Е.Д. Щукин описали основные стадии образования и разрушения коагуляционных структур и раскрыли их роль в оптимизации технологических процессов в структурированных дисперсных системах. Установлено, что основы будущей структуры закладываются при перемешивании в процессе взаимного распределе­ния образующих ее компонентов. Отмечено, что с возникновением сма­чиваемых менисков, образованием грубодисперсной структуры рыхлых агрегатов из нее, одновременно происходят процессы разрушения ме­нисков. Под действием капиллярного давления идет непрерывная ми­грация жидкой фазы (дисперсионной среды) в направлении к наиболее узким зазорам между частицами Этот процесс продолжается, когда разрушение рыхлых агрегатов уже закончено и в них образовались бо­лее мелкие плотные агрегаты в виде гранул (дисперсная фаза). Внутри гранул зафиксирована та степень макро- и микронеоднородности струк­туры и распределение различных твердых фаз, которая соответствова­ла состоянию системы в конце предыдущей стадии.

Все авторы приходят к выводу, что выбор оптимальных парамет­ров технологических процессов переработки структурированных дис­персных систем и получения дисперсных материалов должен осуще­ствляться в соответствии с основными стадиями коагуляционного струк­турообразования. Режимы технологических операций - интенсивность и продолжительность перемешивания, уплотнения и формования должны отвечать предельному разрушению структуры на каждой стадии струк­турообразования.

            Для получения прочных асфальтовых  материалов , устойчивых против воздействия нагрузок, температуры, воды, попеременного замораживания-оттаивания, химических реагентов и других факторов, следует при выборе минеральных составляющих учитывать активность поверхности и пористость минерального порошка, песка, щебня. Для достижения одинаковых результатов при прочих равных условиях при повышенной активности поверхности зерен щебня и песка может применяться минеральный порошок более грубого помола или из менее активных минералов. При использовании гранитных щебня и высевок, кварцевого песка (т.е. кислых материалов), минеральный порошок должен иметь основную природу, соответствующее качество  и более тонкий помол.

            Рассмотренные структурно-механические  характеристики асфальтобетонных  смесей и асфальтобетона создают  предпосылки для разработки расчетно-экспериментальной методики их оценки. Оценка показателей структуры материала на разных этапах его получения и эксплуатации может позволить получить физически обоснованные количественные критерии  качества исследуемого композиционного материала, направленно регулировать технологические параметры смесей, а также более надежно прогнозировать поведение материала при реальных эксплуатационных воздействиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Котлярский Э.В.  «Строительно-технические свойства дорожного асфальтобетона». -  М., 2004г.
2. Котлярский Э.В., Воейко О.А. «Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации». – М.,2007г.
3. Баринов Е.Н. «Оценка и прогнозирование долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий» - С-Пб.,1993г.
4. Золотарев В.А. «Долговечность дорожных асфальтобетонов» -  Харьков, «ВИЩА ШКОЛА»,1977г.
5. Лобзова К.Я., Горелышев Н.В. «Техническая информация. Влияние плотности покрытий на их долговечность». – М., 1963г.
6. Илиополов С.К., Углова Е.В. «Долговечность асфальтобетонных покрытий в условиях роста динамического воздействия транспортных средств». – М, Федеральное дорожное агентство Министерства транспорта РФ, 2007г.
7. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В.  «Дорожный асфальтобетон»  - М., Транспорт, 1985г.