Научно-методические основы оценки структурно-механических свойств композиционных материалов на основе органических вяжущих Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.168

Э.В. КОТЛЯРСКИЙ, канд. техн. наук, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Научно-методические основы оценки структурно-механических свойств композиционных материалов на основе органических вяжущих

Композиционные материалы на основе органических вяжущих, в частности асфальтобетонные смеси и асфальтовый бетон, используемые для устройства дорожных покрытий нежесткого типа, представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы. Они характеризуются сильно развитой межфазной поверхностью Sуд и высокой концентрацией дисперсной фазы ф в жидкой и газовой дисперсионных средах. Это в первую очередь характерно для смесей на этапе перемешивания и на начальной технологической стадии уплотнения конструктивных асфальтобетонных слоев.

Изменение соотношения компонентов (составов) и их качественного состояния в контактных (межфазных) и пограничных слоях приводит к изменению структурных связей в асфальтобетоне и, как следствие, его физико-механических характеристик при работе в дорожной конструкции.

Установлено, что структура асфальтобетона определяется количеством и качеством минеральных составляющих, их взаимным расположением и характером связей между ними. Это согласуется с теорией строительных конгломератов И.А. Рыбьева и полиструктурной теорией В.П. Селятина.

Аддитивные свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов определяются макро-, мезо- и в особенности микроструктурой. Следовательно, создание оптимальных условий для формирования микроструктурных контактных связей может в значительной мере способствовать образованию смесей с необходимыми технологическими свойствами, а асфальтобетона — с требуемыми транспортно-эксплуатационными показателями.

Применительно к дорожному асфальтобетону и асфальтобетонным смесям до последнего времени не было предложено количественных критериев оценки, характеризующих состояние структуры материала как в процессе структурообразования на технологическом этапе, так и при работе в конструктивном слое дорожной одежды под действием различных эксплуатационных факторов. Эта задача может быть решена с использованием основных положений физико-химической механики высококонцентрированных дисперсных систем с учетом специфики контактных взаимодействий.

Наиболее существенное значение в технологии приготовления асфальтобетонной смеси имеют сложные физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии битума с поверхностью зерен минераль-ных составляющих асфальтобетона, и в первую очередь с тонкодисперсными частицами минерального порошка.

В различных технологических и эксплуатационных ситуациях асфальтобетонные смеси и асфальтобетон необходимо рассматривать как высококонцентрированные дисперсные системы, свойства которых во многом зависят от физико-химических процессов, происходящих при их структурообразовании. Оценку этих процессов надо производить с учетом основных законов

физико-химической механики и специфики формирования элементарных контактов. Целевое управление свойствами асфальтобетона можно производить путем регулирования свойств вяжущего в зоне межфазного контакта.

На основании работ П.А. Ребиндера, Е.Д. Щукина, Л.Я. Марголис использовали зависимость прочности пористых тел, учитывающую аддитивность прочности элементарных контактов. Предельное напряжение сдвига Рт можно выразить зависимостью:

Pm = kl ■ F- n2/3 = k2 ■ ф ■ S Уд = k3 ■ F-ф ■ d

i2

(1)

где: Fc — средняя сила сцепления в контакте между частицами; п — среднее число контактов между частицами в единице объема (м3); ф — относительная плотность структуры; Sуд — удельная поверхность частиц дисперсной фазы высококонцентрированной дисперсной системы; dэкв — характерный размер этих частиц.

Предельное напряжение сдвига Рт можно количественно определять различными экспериментальными методами.

Для определения среднего числа контактов (п) между дисперсными частицами в 1 см3 использовали эмпирическое выражение, полученное в соавторстве с Н.Б. Урьевым, В.Н. Финашиным и В.Е. Черномазом:

n = 6,7373 -1010■ е(5'44 ■ фК ■ d Э

(2)

где ф(- — относительная плотность уплотненной (уплотняемой) асфальтобетонной смеси; е — основание натуральных логарифмов; d^ — характерный размер частиц минеральной части асфальтобетонной смеси.

Различные варианты теории прочности пористых тел были предложены в работах Е.Д. Яхнина, А.Ф. Полака, Н.Б. Урьева, А.А. Потанина и др. Сложность установления функциональной зависимости Pm от Fc и n состоит в том, что она была обоснована и экспериментально подтверждена для модельных систем, полученных с использованием монодисперсных мономинеральных сферических частиц. В реальных асфальтобетонных смесях необходимо учитывать полидисперсность и полиминеральность минеральных частиц случайной неправильной формы.

Среднюю силу сцепления в контакте между частицами (Fc) определяли по экспериментально полученным значениям предельного напряжения сдвига и известным геометрическим параметрам исследуемой дисперсной системы расчетным путем по преобразованной формуле проф. Е.Д. Яхнина:

(3)

где: р' — плотность минеральной части асфальтобетона, кг/м3; р — плотность асфальтобетона; р(- — достигнутая в

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 36 октябрь 2011 ы ®

Г*?5

IV {р й

С6

о си о 3

П5

Ж

к

1000

Интенсивность уплотняющей нагрузки, МПа

120

240

360

480

600

Интенсивность уплотняющей нагрузки, МПа

1000

100

120

240

360

480

600

1000

Интенсивность уплотняющей нагрузки, МПа

10

| о |±

II

О СО

11 5! о О СО >3 =>"

о ^

2

-е-

0,1

120 240 360 480 600

100

10

20 40 60 80

Интенсивность уплотняющей нагрузки, МПа

1000

100

Ф 03 X =г

3 ь

10

120 240

360

480 600

Время уплотнения, с Время уплотнения, с Время уплотнения, с Время уплотнения, с

Рис. 1. Изменение структурно-механических параметров асфальтобетона при разной интенсивности и времени действия уплотняющих нагрузок: 1 - 20; 2 - 50; 3 - 80; 4-100; 5 - 130

I

I

а

к

€ 1 I

г*

>3

1 К

г* 6»

к

л

к

о

I

с л

П5 О ?! С Кг

к5

О

С6 О

си о 3

П5

Ж

к

к

§

Щ0

т с

II

и- ц-

щ

[ц

1000

100

100 120 140 160 Температура уплотнения, °С

160

1000

Температура уплотнения, °С

100 120 140 160 Температура уплотнения, °С

Рис. 2. Изменение структурно-механических параметров асфальтобетона при разной температуре уплотнения: 1 - 20; 2 - 50; 3 - 80; 4 - 100; 5 - 130

10000

1000

100

1,0Е+00

1,0Е-01

1.0Е-02

1.0Е-03

Содержание минерального порошка, мае.

100

Ф 03 X =г

3 а

Ю

3

4

80 100 120 140 160 Температура уплотнения, °С

100000

10000

Ф 03 X =г

3 ь

1000

±

?

3'

10

15

20

Содержание минерального порошка, % масс.

Содержание минерального порошка, % масс.

Содержание минерального порошка, % масс.

Рис. 3. Изменение структурно-механических параметров асфальтобетона при разном содержании тонкодисперсного заполнителя: 1 - 20; 2 - 50; 3 - 80; 4-100; 5 - 130

п

Рис. 4. Этапы структурообразования асфальтобетона при технологических воздействиях: ппл - вязкость пленочного битума; пое - вязкость объемного битума

результате технологических воздействий плотность асфальтобетона, кг/м3; рр — средняя плотность неуплотненной асфальтобетонной смеси, кг/м3, которую определяют экспериментально, зависит от средней плотности исходных компонентов, входящих в состав асфальтобетонной смеси и их соотношения по массе; dэкg — эквивалентный размер частиц минеральной части асфальтобетонной смеси.

_ Р£

Учитывая, что ф _ р и Ф _ р , выражение (3) может быть представлено в виде:

Ря (Ф,- - ФР)

(4)

где: ф(- — относительная плотность, достигнутая в результате технологических воздействий на асфальтобетонную смесь; фр — то же абсолютно рыхлой асфальтобетонной смеси.

Среднюю площадь единичного контакта находят из условия аддитивности прочности элементарных контактов дисперсной системы (1). В этом случае средняя площадь единичного контакта при их общем числе п равна:

« ЛРг-

1 й2/3_ (Р Л А с

п / Рт \ )

п

-1/3

(5)

Средний размер единичного контакта может быть определен по форме его известной поверхности (которая зависит от условий формирования контакта), размера и формы минеральных частиц, вязкости битума и многих других факторов, которые не поддаются прямому количественному учету. Для упрощения принято, что коагу-ляционный контакт между частицами происходит по круговой поверхности, тогда размер (или средний диаметр) единичного элементарного контакта будет равен:

(6)

Среднюю прочность единичного контакта (Р) находят из условия:

Р = — =Р Б-

п

2/3

(7)

Для экспериментальной проверки предложенных теоретических представлений были разработаны методики исследовательских работ. Экспериментальную оценку структурно-механических параметров производили для различных асфальтобетонных смесей с разными исходными компонентами. Варьировали интервалы основных технологических и эксплуатационных факторов (рис. 1).

Для оценки процессов формирования структуры асфальтобетонных смесей на технологическом этапе в лабораторных и опытно-производственных условиях различными методами устанавливали предельное напряжение сдвига (Рт). Для тонко- и мелкодисперсных модельных составов использовали ротационную вискозиметрию и коническую пластометрию. Для каркасных составов применяли методики, предложенные в разное время Г.Н. Кирюхиным, Б.Н. Никольским,

В.М. Гоглидзе, штамповые и стандартные методы. Это позволило определить значения Fc, п, Р¡, di.

Экспериментальные исследования процесса формирования асфальтобетонных смесей, полученные в лаборатории кафедры дорожно-строительных материалов МАДИ, позволили установить, что наиболее весомыми технологическими параметрами являются температура уплотнения, интенсивность и время действия уплотняющей нагрузки (рис. 2).

С возрастанием уплотняющей нагрузки от 10 до 80 МПа наблюдается монотонное убывание пористости, водонасыщения и рост плотности. Происходит монотонное увеличение среднего числа контактов между частицами в единице объема, одновременно примерно в 2—2,5 раза снижается средний размер единичного контакта. Прочность и динамический модуль упругости сначала растет, а при достижении уплотняющей нагрузки 40—60 МПа начинает снижаться. Более выраженно этот характер проявляется у высокопористых бескаркасных смесей, менее — у плотных песчаных и щебенистых уплотненных асфальтобетонных смесей (рис. 3).

При нагрузках 60—80 МПа у щебенистых асфальтобетонных смесей наблюдается частичное дробление гру-бодисперсных каркасных зерен, что корреспондируется с результатами, ранее полученными Н.В. Горелышевым.

При всех значениях температуры испытаний предельное напряжение сдвига носит экстремальный характер и может изменяться в 1,5—2 раза. Это связано с условиями формирования макро-, мезо- и микроструктуры композиционного материала и изменением вязкости объемного и пленочного битума при разных значениях технологической температуры и временных параметров уплотняющего усилия.

Средняя прочность единичного контакта при нагрузках 40—60 МПа также имеет выраженный экстремум. Снижение контактной прочности при дальнейшем увеличении уплотняющей нагрузки объясняется образованием «обнаженных контактов».

При увеличении температуры в процессе уплотнения относительная плотность асфальтобетонной смеси и среднее число контактов между частицами монотонно уменьшается. Средний размер единичных контактов незначительно увеличивается, например с 4,26 мкм2 при 80оС до 5,2 мкм2 при 160оС.

С изменением технологической температуры уплотнения происходит экстремальное изменение средней силы сцепления в контакте между частицами, более выраженное при высокой температуре испытаний (80—130оС).

При изменении времени действия уплотняющей нагрузки относительная плотность и среднее число контактов между частицами в единице объема монотонно увеличивается, а средний размер контактов монотонно уменьшается. Более интенсивно для разных составов и режимов уплотнения это происходит при действии уплотняющей нагрузки в течение 120—300 с.

Изменение предельного напряжения сдвига при разном времени уплотнения также характеризуется экстремумом (при 180—240 с). Более интенсивно Рт увеличивается при времени действия уплотняющей нагрузки до 180 с (в 1,4—1,8 раза). Аналогично, но с разной интенсивностью изменяется величина средней силы сцепления в контакте между частицами и средней прочностью единичного контакта. Эта закономерность характерна в широком интервале температуры испытания (20—130оС) и скорости сдвига (2,5—50 мм/мин). Установлено, что уменьшение Рт, Fc и Р1 с увеличением времени уплотнения вызвано разрушением коагуляционных контактов, образованием сухих, обнаженных связей.

С какого-то момента уплотнения деструктивные процессы в уплотняемом материале начинают доминировать над структурообразующими.

об

научно-технический и производственный журнал ®ЛГ ® октябрь 2011 39~

10000

1000

100

10

4

= 35,27х0,274 R2 = 0,9386 8

3

21, 18х0, R2 = 0,9

-у \ У =

>2

/ У = 8,9706х03704 R2 = 0,9322

>

10000

100000-

100

10000

Логарифм вязкости, Пас

1000

1000000

100 10000 1000000 Логарифм вязкости, Пас

100 10000 1000000 Логарифм вязкости, Пас

Рис. 5. Построение и статистический анализ однофакторных регрессионных моделей зависимости предельного напряжения сдвига, средней силы сцепления в контакте между частицами и средней прочности единичного контакта от вязкости битума при различном содержании тонкодисперсного наполнителя: 1 - 5; 2 - 10; 3 - 20

В результате установлено, что структурообразование асфальтобетона на технологической стадии протекает поэтапно (рис. 4), при этом оптимальные структуры материала формируются на втором этапе.

Именно на втором этапе происходит структурное формирование вязкости пленочного битума в контактной зоне на межфазных границах под действием всех структурообразующих факторов. Дальнейшие уплотняющие воздействия вызывают разрушение элементарных контактов, что отражается на снижении структурно-механических характеристик.

Увеличение в различных составах содержания высокодисперсного заполнителя (в пределах 5—20 мас. %) вызывает монотонное (в 1,1 раза) увеличение плотности. Среднее число контактов между частицами в единице объема при этом возрастает в 1,8 раза, а средний размер контактов между минеральными частицами уменьшается в 2,2 раза. Эти структурные изменения приводят к монотонному увеличению предельного напряжения сдвига, которое находится в зависимости от температуры.

Сила сцепления в контакте между частицами монотонно снижается в 1,5—2,2 раза, что, по мнению автора, связано с изменением силовых условий структурообра-зования асфальтобетона, т. е. с увеличением содержания высокодисперсной фазы при прочих равных условиях, общая уплотняющая нагрузка распределяется на большее число сопротивляющихся изменению структурного состояния элементарных контактов, а на формирование каждого единичного контакта приходится меньшее уплотняющее усилие. Интегральная прочность высококонцентрированной дисперсной системы увеличивается в основном за счет опережающего роста количества контактов. Средняя прочность единичного контакта при всех значениях температуры и скоростей испытания монотонно растет в 1,4—3 раза. Это обстоятельство хорошо

корреспондируется с выводами, полученными П.А. Ре-биндером, Н.В. Михайловым и С.Я. Шалыт об изменении вязкости битума в приграничной зоне раздела дисперсионной среды и дисперсной фазы и представлениями И.В. Королева о наличии в структуре асфальтобетона объемного и пленочного битума.

С увеличением вязкости битума плотность, среднее число контактов в единице объема и средняя площадь единичного контакта в модельных смесях изменяются незначительно. Одновременно установлено, что другие структурно-механические показатели в процессе струк-турообразования сильно зависят от вязкости битума. Они могут изменяться на 1,5—2 порядка (рис. 5). В свою очередь вязкость битума зависит от его марки и градиента сдвига и температуры.

Наглядную качественную картину структурных изменений позволили получить результаты электронно-микроскопических исследований.

В лаборатории электронной микроскопии Института физической химии и электрохимии РАН с помощью электронного сканирующего микроскопа (фирмы «Джеол») были получены микрофотографии элементов структуры уплотненных модельных асфальтобетонных смесей. Для этого образцы подвергали расколу в жидком азоте, что дало возможность получить пробы соответствующего размера, необходимые для электронно-микроскопических исследований на свежем изломе.

Для каждой серии образцов были получены микрофотографии структуры исследуемых составов. Характерный вид структуры уплотненных асфальтобетонных смесей на электронных микроснимках показан на рис. 6.

Разработанная оригинальная методика обработки предусматривала качественно-количественный анализ микрофотографий, полученных для модельных асфальтобетонов нескольких составов при различных техноло-

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

40 октябрь 2011 ы ®

Рис. 6. Микрофотографический снимок, полученный на электронном микроскопе «Джеол»

гических параметрах процесса формирования структуры материала. Наблюдаемые на микрофотографиях структуры характеризовались размером единичных структурных элементов, их количеством, разбросом и неоднородностью. При анализе эти показатели сравнивали с показателями полученных структурно-механических свойств соответствующих серий образцов при различных условиях формирования структуры асфальтобетона.

На микроснимках кроме минеральных частиц и пор хорошо наблюдаются еще два элемента структуры асфальтобетона. Это — поверхности минеральных частиц, не покрытые битумом (или обнаженные поверхности, разрушенные в процессе уплотнения и появившиеся в результате разлома образцов в жидком азоте), и непосредственно коагуляционные битумные связи.

Наблюдаемый размер обнаженных поверхностей лежит в пределах 2—50 мкм, а коагуляционных контактов — в пределах 2—8 мкм.

Установлено, что качественная и количественная оценки результатов электронно-микроскопических исследований четко корреспондируются с результатами определения структурно-механических свойств.

1. Разработаны методологические принципы оценки структурно-механических свойств асфальтобетонных смесей и асфальтового бетона, учитывающие свойства и количественное соотношение исходных компонентов, технологические воздействия в процессе формирования смесей, что подтверждено результатами лабораторных экспериментов, электронно-микроскопических исследований и опытно-производственных работ.

2. Предложено теоретическое описание особенностей структурообразования асфальтобетона. Экспериментальные результаты позволили количественно оценить структурно-механические изменения, происходящие в уплотняемых асфальтобетонных смесях, и дать качественно-количественную оценку трех этапов структурообразования при формировании структуры и свойств асфальтобетона.

3. Установлено, что при уплотнении асфальтобетонных смесей достижение нормативной плотности асфальтобетона в конструктивных слоях дорожной одежды не гарантирует получения всего требуемого комплекса физико-механических свойств и структуры материала, отвечающих эксплуатационным условиям.

4. Разработана методика проектирования асфальтобетона для устройства покрытий автомобильных дорог по требуемому комплексу показателей структурно-механических свойств.

Ключевые слова: асфальтобетон, физико-химическая механика, теория контактных взаимодействий, струк-турообразование, методика проектирования.

Список литературы

1. Котлярский Э.В., Финашин В.Н., Урьев Н.Б., Черномаз В.Е. Формирование структуры высококонцентрированных дисперсных материалов с учетом контактных взаимодействий в процессе уплотнения (на примере асфальтового бетона) // Коллоидный журнал. 1987. № 1. С. 72—76.

2. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетона и асфальтобетонных смесей // Сб. докладов Междунар. научно-практической конф. «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», ч.: Эффективные материалы, технологии, машины для строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Обеспечение безопасности движения. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. Сентябрь.

3. Котлярский Э.В. Структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетона // Научно-теоретический журнал Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2008. № 4. С. 4-9.

4. КотлярскийЭ.В., ГридчинА.М. Расчетно-эксперимен-тальная оценка битумоемкости минеральных материалов для приготовления асфальтобетонных смесей // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 40-44.

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® октябрь 2011 41