CC BY
51
В. М. ВОРОЖЕЙКИН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
УДК 6.91. 31: 666.964.3
ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА
РАССМАТРИВАЮТСЯ УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ. НА ОСНОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ОПЫТНЫМ УЧАСТКОМ СФОРМИРОВАНЫ ГЛАВНЫЕ УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
На снижение долговечности асфальтобетонных покрытий влияет много факторов, главными из которых являются: низкая сдвигоустойчивость, приводящая к образованию сдвигов, наплывов и волн; низкая трещиностойкость, вызывающая образование трещин и разрывов покрытия. К сожалению, показатели сдвигоустойчивости и трещино-стойкости стандартами [1,2] не нормированы.
Для повышения сдвигоустойчивости рекомендуются смеси с повышенным содержанием щебня (до 60%), так называемые каркасные смеси. [3]. Эти смеси обладают высокой устойчивостью на сжатие и сдвиг, но платой за высокую прочность является повышение хрупкости покрытия.
Для повышения трещиностойкости рекомендуются смеси на полимербитумном вяжущем [4]. Высокой трещино-стойкостью обладают литые асфальтобетонные смеси [5,6], с содержанием щебня до 40%.
Эти требования противоречивы. Сдвигоустойчивые смеси многощебенистые, для их приготовления используется битум достаточно пластичный, с пенитрацией 90 -130. температура приготовления смеси 140- 160° С. Тре-щиностойкие смеси готовятся с содержанием щебня до 40%. Для приготовления литых асфальтобетонных смесей используется наиболее твёрдый дорожный битум с пенитрацией 40 - 60 при температуре приготовления смеси 220-240° С
Но наибольшее противоречие относится к рекомендации времени смешивания материалов с битумом: сдвигоустойчивые многощебенистые смеси во избежание окисления битума и уменьшения опасности снижения трещиностойкости рекомендуется смешивать не более 60 е., литые трещиностойкие смеси готрвятпри повышенной температуре и более вязком битуме в течение 5 минут, без опасения окисления битума.
Из этого анализа видно, что время приготовления смеси существенно влияет на качественные показатели смеси и поведение асфальтового бетона в процессе эксплуатации.
Наиболее частыми видами разрушения асфальтобетонного покрытия, связанными с низким качеством приготовления асфальтобетонной смеси, являются: шелушение и выкрашивание зерен песка и щебня из покрытия с образованием ям; образование поперечных трещин на покрытии и вследствие усадки асфальтового бетона постепенное расширение этих трещин; образование колей, наплывов и волн в летний период вследствие снижения эластичных свойств и преобладания пластических деформаций.
Эти дефекты возникают по нескольким причинам: плохое сцепление битумной пленки с зернами минерального материала, когда вода в порах в летнее время под действием колес транспорта смывает битумную пленку с зерен минерального материала, снижая прочность сцепления их и прочность всего покрытия: повышенная пористость, особенно каркасных многощебенистыех смесей, когда проникающая в поры вода при замерзании отрывает зерна песка и щебня друг от друга и колесами транспорта эти зерна выбрасываются на дорогу и служат дополнительными источниками разрушения покрытия; очень низкие эластические свойства асфальтобетонного покрытия приводят при деформациях к накоплению остаточных напряжений растяжения и образованию трещин в покрытиях.
Почти все свойства асфальтового бетона определяются свойствами битума и характером взаимодействия битумной пленки с поверхностью зерен минерального материала.
Асфальтовый бетон при низких температурах проявляет упругие свойства и высокую прочность и, как следствие, повышенную хрупкость; при положительных температурах проявляет упруго-вязкие свойства; при повышенных температурах проявляет вязко-пластические свойства.
Почти идеальным вяжущим для асфальтового бетона была бы резина - резинобетон, который сохранял бы упругие свойства в широком диапазоне температур при полном отсутствии вязко-пластичных свойств. Единственным недостатком резины является наличие гистерезиса.
Как создать материал, подобный резинобетону?
Ниже рассмотрены основные условия формирования долговечного асфальтового бетона: высокая адгезия битумной пленки, высокие эластические свойства, низкие пластические свойства, высокая плотность.
I. Процесс смешивания и структурирования битумной плёнки
Процесс равномерного распределения битума по поверхности минеральных зёрен и их взаимодействие протекает в несколько стадий, что связано с коллоидной структурой битума. Основным компонентом коллоидной структуры битума (соНа-клей) являются асфальтены как вещества с большой молекулярной массой, содержащие в структуре гетероатомы и обладающие наибольшими силами поверхностного натяжения. Вторым компонентом являются смолы, они также содержат гетероатомы, но их молекулярная масса и поверхностное натяжение меньше, чем асфальтенов. Третьим компонентом являются масла (углеводороды), их молекулярная масса и поверхностное натяжение наименьшие.
В силу проявления поверхностно-активных свойств, компоненты битума образуют сложные надмолекулярные структуры, центрами которых являются асфальтены с сорбированными на них смолами и маслами, сорбированными на асфальтенах и смолах. В отдельные моменты могут образовываться структуры: асфальтены-масла и смолы-масла. Это состояние присуще свободному битуму. Все эти структуры могут разрушаться: при повышении температуры битума, когда энергия тепловых колебаний превышает силы сорбционного взаимодействия, при механическом воздействии на битум [7] и особенно глубокое разрушение структуры происходит при ультразвуковом облучении битума [в].
При взаимодействии свободного битума с минеральными материалами первыми в контакт всегда входят масла, они легко растекаются по поверхности минеральных зёрен, частично проникают в поры, а во внешних слоях плёнок повышается концентрация асфальтенов и смол. Такие смеси имеют большой коэффициент внутреннего трения, трудно распределяются и трудно уплотняются. Чем больше в смеси минерального порошка, особенно пористого, тем смеси труднее уплотняются [3], но прочность сцепления масляных плёнок с поверхностью минеральных материалов незначительна.
На этом заканчивается первая стадия распределения битума по поверхности минеральных зерен. Очень часто это совпадает с окончанием процесса смешивания асфальтобетонной смеси.
Вторая стадия следует за первой и заключается в развитии процессов избирательной адсорбции, когда компоненты с более высоким поверхностным натяжением вытесняют с поверхности минеральных материалов масла; на поверхности минеральных материалов образуется структурированная битумная плёнка с асфальтенами во внутреннем слое, смолами в среднем и маслами во внешнем слое.
Структурирование битумной пленки может происходить: самопроизвольно при высокой температуре и за относительно длительный период времени [9,10], при длительном механическом воздействии [5,11,12,13], или сочетании этих факторов. Прочность сцепления асфальтенов с поверхностью минеральных материалов наивысшая [11], а масла, вытесненные во внешнюю пленку, обеспечивают снижение коэффициента внутреннего трения и легкость уплотнения асфальтобетонной смеси.
II. Наполнение внешних масляных слоёв структурированной битумной пленки
Первым проявлением структурированной битумной плёнки является легкость уплотнения. Но эту легкость уплотнения нельзя принимать как появление излишнего битума и тут же снижать расход битума, ради его экономии. Это делать недопустимо. '
Асфальтовый бетон со структурированными битумными пленками имеет положительные и отрицательные стороны.
Положительные стороны: легкость уплотнения, снижение пористости за счёт выдавливания масел в поры, снижение энергозатрат на уплотнение, выше степень уплотнения; но главным достоинством асфальтобетонного покрытия со структурированными битумными плёнками -способность покрытия к залечиванию трещин под действием колёс транспорта в летнее время года.
Отрицательная сторона: при легком уплотнении и выдавливании маслянных пленок в зону пустот минеральные зерна входят в контакт друг с другом плотными и вязкими оболочками смол и асфальтенов, прочность асфальтового бетона растет в 2,5 - 3 и более раз (пропорционально количеству минерального порошка), но резко растет жесткость и хрупкость покрытия.
Отсюда следует: ни в коем случае нельзя допускать контакта между минеральными зернами через смолисто-асфальтеновые пленки; нельзя допускать снижения содержания битума, т.к. чем тоньше битумные плёнки -тем резче проявляется их дифференциация на слои асфальтенов, смол, масел; нельзя допускать выдавливания масел в поры.
Последнего можно достигнуть применением более эффективных тонкомолотых наполнителей [14].
Поведение асфальтобетонного покрытия опытного участка. В 2000 г производилась замена асфальтобетонного покрытия на мосту через р. Иртыш на окружной дороге г. Омска. Мост металлический со стальной ортотропной плитой-деформации моста большие, условия работы покрытия очень жёсткие. На двух участках моста было уложено покрытие из смеси, приготовленной по стандартной технологии: асфальтосмесительная установка ДС-84-2, время сухого смешивания материалов -15 с, время смешивания с битумом - 45 с, показатели прочности образцов соответствовали ГОСТу 9128 - 97. При строительстве третьего участка был получен битум низкого качества. Вынужденно изменили технологию: время сухого смешивания оставили - 15 с. время смешивания с битумом увеличили до 90 с. показазатели прочности образцов соответствовали требованиям ГОСТа 9128-97.
При проверке состояния покрытия в январе 2001 г. выявлено на первых двух участках поперечные трещины
располагались с шагом 12-18 м, на третьем участке шаг трещин составлял 5 - 7 м. При повторной проверке в апреле 2002 г. выявлено: на первых двух участках поперечные трещины располагались шагом 6 - 8 м, трещины стали шире, > кромки трещин неровные; на третьем опытном участке на проезжей части (в зоне действия колес транспорта) трещин не обнаружено. Закатка трещин произошла в летний период 2001 года, новых трещин за зиму 2001 -2002 г. не образовалось. На обочинах покрытая, где происходит редкое воздействие колес транпорта, трещины остались, шаг трещин 1 - 3 м, кромки трещин ровные, и они очень узкие.
Следовательно, хорошо приготовленная смесь со структурированными битумными плёнками не только легче уплотняется, но и способна к самозалечиванию трещин. Как справедливо отмечается в работе [5], не следует все беды асвальтобетона валить на битум, нужно лучше готовить смесь; принятая оценка смешивания не соответствует потенциальным возможностям, ,заложенным в асфальтовом бетоне.
После завершения процесса структурирования битумной пленки наступает третья стадия взаимодействия битума с минеральным материалом. Масла структурированных битумных пленок легкоподвижны, очень пластичны и этим своим свойством резко снижают упруго-вязкие свойства асфальтового бетона при высоких температурах. Применение тонкомолотых наполнителей повышает вязкость и теплостойкость наполненных систем [3]. Оценка эффективности тонкомолотых наполнителей дана в работе [14].
III. Изменение свойств асфальтового бетона во времени
В асфальтовом бетоне при смешивании протекают три стадии взаимодействия битума с зернами минерального материала.
Четвертая стадия начинается после уплотнения асфальтобетонной смеси. Начинается самый медленно протекающий и фактически неуправляемый процесс восстановления тиксотропных свойств, иногда это называется старением.
Истинное старение связанно с внешними факторами: проникание в поры покрытия кислорода воздуха и окисление масляных пленок, воздействие ультрафиолетового облучения, проникание в поры воды с растворёнными в ней продуктами выхлопных газов. Истинное старение связанно с химическими необратимыми превращениями компонентов битума и сопровождается повышением их вязкости и хрупкости покрытия.
ВЫВОДЫ
1. Первым и главным условием получения долговечного асфальтобетона является создание на зернах минерального материала структурированной битумной .пленки, обеспечивающей максимальную адгезию битума к минеральным материалам.
2. Для усиления эластичных свойств асфальтового бетона необходимо вводить тонкомолотые наполнителй для придания масляным плёнкам высоких упруго-вязких свойств.
3. Для сохранения на длительный срок упруго-вязких (резиноподобных) свойств и исключения старения битума в асфальтобетонном покрытии, необходимо свести к минимуму проникание в покрытие воды и воздуха, применяя только высокоплотные асфальтобетоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные, дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.
2. ГОСТ 12 801 -98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытания.
3 Горелышев Н. В Асфальтобетон и другие битумо-минеральные материалы. -М.: Можайск: Терра, 1995. -176 с.
4. Рекомендации центра лабораторного контроля, диагностики и сертификации по применению модифицированных битумов в дорожном строительстве. - М.: Федеральная дорожная служба России. -1999.
5 Мелик - Багдасаров М., Гиоев К. И прочнее, и долговечнее //Автомобильные дороги. -2000. - №2. -С. 8-9.
6. Богуславский А. М., Богуславский Л. А. Основы реологии асфальтобетона. /Под ред. Н. Н. Иванова. - М.: Высшая школа. - 1972. -200 с.
7. Веденеев Б. В, Михайлов Н. В. Трубопроводный транспорт горячего битума.-М.: Госстройиэдат, 1962.-219 с.
8. Золотарёв В. А. Долговечность дорожных бетонов. -Харьков: Вища школа, 1977. - 114 с.
9. Лысихина А.И. Применение поверхностноактивных и других добавок при строительстве асфальтобетонных и подобных им дорожных покрытий. - М.: Автотрансиздат, 1958 -56 с
10 Борщ И М. Процессы структурообразования в асфальтовых материалах. // Опыт строительства
асфальтобетонных покрытий: Труды МАДИ.- Вып.23. - М.: Автотрансиздат. 1958.-С.37-41.
11. Ворожейкин В. М. Повышение качества и регулирование свойств асфальтового бетона направленным структурированием битума в процессе смешивания//Изв. вузов. Строительство.-2001. - №12-С. 24-26.
12. Кузмичёв В. А. Вибрационное перемешивание битумноминеральных смесей в вибросмесителях: Автореф... канд. техн. наук. - Л, 1973.-22 с.
13. Гринберг Г.Г. Виброперемешивание мелкозернистого асфальтобетона. - Рига. Изд- во АН Латвийской ССР, 1961.-22 с.
14. Трекслер Р. Н. Реология и реологические модификаторы (за исключением эластомеров): структура и время. // Битумные материалы (асфальты, смолы, иски)/ Под ред. А. Дж. Хойберга; пер. с англ. -М.: Химия, 1974,-С.104-153.
ВОРОЖЕЙКИН Владимир Михайлович, кандидат технических наук, профессор.
С. А. КОРНЕЕВ
Омский государственный технический университет
УДК 531
СТРУКТУРА ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СООТНОШЕНИЙ ИЗОТОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ _
С ПОМОЩЬЮ ПРИНЦИПА МАТЕРИАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ И ПРИНЦИПА ОБЪЕКТИВНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗОТРОПНЫХ СРЕД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТИПА ПОЛУЧЕНЫ ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ТЕНЗОРА НАПРЯЖЕНИЙ, ВЕКТОРА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА И УДЕЛЬНОЙ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ.
1. Введение
У материалов дифференциального типа состояние каждой точки Хв момент времени I определяется набором параметров р, С, 0, Р"). берущихся в той же точке среды и в тот же момент времени [1]. Здесь в - абсолютная температура. Р = гх(/, Х)/аХ и С = дв{(,Х)/дХ -градиенты деформации и температуры по отношению к отсчетной конфигурации среды. х(/,.\) и в(1,Х) - закон движения и закон изменения температуры при лагранжевом описании, 9 = дв(!,Х)/б! и Р = д¥(1,Х)/д1 - полные (материальные) производные по времени.
Класс материалов дифференциального типа является довольно широким. Помимо сред, изучаемых в классической теории упругости и классической гидрогазодинамике, он охватывает нелинейные вязкие жидкости, вязкоупругие среды Кельвина-Фойхта, а при определённых ограничениях и пластически деформируемые тела [2,3,4]. Поэтому крайне важно знать общий вид определяющих соотношений для тензора напряжений Т. вектора теплового потока и удельной (на единицу массы) внутренней энергии е. Это позволит более эффективно моделировать свойства реальных материалов.
В общей поставке решение данной задачи можно получить для изотропных материалов, имеющих широкое практическое применение.
2. Исходные положения
Введем понятия приведенного тензора напряжений Тс и приведённого вектора теплового потока , определив их выражениями 1
Т( =-1-г,-т-(р|Г 1
2 р ' Р
Между плотностью среды р в актуальной конфигурации и плотностью р(1 в отсчетной конфигурации имеет место соотношение [11
р = р„14е1¥. 2
Прямыми вычислениями нетрудно убедиться в справедливости равенств
Т: Э = рТг : С, % = Ъ, р = аЛ/ЗйС , 3
где
0 = 0.5[Уу+(УУ)'] 4
- тензор скоростей деформации (V - скорость),
g = V6 = G Г"1 5
- градиент температуры по отношению к актуальной конфигурации,
С = РГ Р 6
- мера деформации Коши, связанная стензором конечной деформации е простой формулой е = (С -1)/2.
Исходя из первичных выражений
с помощью принципа объективности поведения материалов можно получить [5]
тг = тс(0,с,сдс). .1, = -1>с,сДс), 7
е = е(0,С,СДС)-Все величины, входящие в выражения (7), сохраняют свое значение при замене системы отсчета:
т;.=ту, е=е. &=о> е=о. С=С
с=с ,с=с
Если среда изотропная, а в качестве отсчётной взята неискажённая конфигурация, в которой материал про-
