Структурно-механические свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

Котлярский Э.В., канд. техн. наук

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И АСФАЛЬТОБЕТОНА

Состояние структуры асфальтобетонных смесей и асфальтобетона характеризуется предельным напряжением сдвига Рт (или прочностью дисперсной системы), средней силой сцепления в контакте между частицами Гс. Не менее важной характеристикой структуры являются количественные критерии, характеризующие ее геометрические параметры. К ним можно отнести среднее число этих контактов между частицами в единице объема п, относительную плотность ф, удельную поверхность минеральной части асфальтобетонной смеси Syд, характерный размер частиц дисперсной фазы (минеральной части смеси) йэкв. Эти параметры взаимосвязаны зависимостью, предложенной П.А. Ребиндером, Е.Д. Щукиным и Л.Я. Марголис [10]:

Рт = к ■ Рс.п2/3 = к2■¥с .ф.S2д = кз■¥с .ф.й;2. (1)

До 90-х годов прошлого века количественная оценка указанных параметров применительно к асфальтобетонным смесям и асфальтобетону была затруднена рядом объективных причин:

- сложностью или невозможностью их прямого экспериментального определения перечисленных выше параметров структуры,

- отсутствием надежных аналитических зависимостей, связывающих эти характеристики с традиционно определяемыми свойствами асфальтобетона, такими как, предел прочности при сжатии, устойчивость по Маршаллу и др., используемые, например, при проектировании составов смесей или при контроле качества приготовления и укладки асфальтобетонных смесей.

Методика определения предельного напряжения сдвига асфальто бетонных смесей при технологических и ас-фальто б етона при летних эксплуатационных темпер ату-рах зависит от его типа и вида. Для тонкодисперсных модельных составов, например, можно использовать ротационную вискозиметрию и коническую пластометрию.

Для реальных составов применимы методики, предложенные Г.Н. Кирюхиным, Б.Н. Никольским, В.М. Гог-лидзе, а с известным приближением штамповые испытания и стандартные методики, используемые в РФ.

Средняя сила сцепления в контакте

между частицами.

Качество контактов характеризуется величиной средней силы сцепления в контакте между дисперсными частицами (^С). Она зависит от многих факторов, таких как

толщина контактной зоны и вязкости битума в процессе формирования единичных контактов (гб) , адгезионных свойств органических вяжущих с конкретными минеральными частицами (Анап). Это в свою очередь взаимосвязано с размером частиц, природой и характером их поверхности, включая ее микрошероховатость, температурных (С) и временных (Т) условий формирования контактной зоны на границе раздела фаз и рядом других факторов.

Специфические свойства адсорбционно-сольватных слоев на поверхности минеральных материалов, входящих в состав асфальтобетона как полидисперсного полиминерального материала, определяют значения ин-тегр альных механических и деформ ативных хар актерис-тик.

В общем виде это выражение может быть представлено в виде

^ = /(5,п, Анап,г,Т,...).

(2)

Количественная оценка силы сцепления в контакте между частицами всегда представляла собой сложную многофункциональную задачу, реализация котор ой связана со значительными трудностями, как при постановке эксперимента, так и при теоретическом обосновании и интерпретации полученных результатов.

В силу полиминеральности и полидисперсности составляющих асфальтобетонную смесь компонентов, сложности структурно-реологических свойств битума, который также может быть рассмотрен как дисперсная система (мальтены - дисперсионная среда, асфальтены -дисперсная фаза), с учетом неоднородности исследуемого материала поставленная задача приобретает статистический характер. Т.е. реальные величины сил сцепления в контакте между частицами распределяются в некотором интервале. Характер этого распределения и величина интервала, возникающих сил сцепления между частицами зависит от зернового состава смеси минеральных компонентов, их природы, реологических и адгезионных свойств битума, технологии приготовления, укладки и уплотнения и других факторов.

Среднюю силу сцепления в контакте между частицами Гс предложено определять расчетным путем используя, выражение Е.Д. Яхнина по известным экспериментально определенным значениям предельного напряже-

ния сдвига Рт и геометрическим параметрам исследуемой дисперсной системы [3]:

Рс = Рт ■ й-р

(V - Ут ) - (У.0 - Ут )

V - V

г Б 0 ' Б

(3)

где Рт - предельное напряжение сдвига, йже- характерный размер частиц дисперсной фазы; р - плотность дисперсной фазы; V] - удельный объем, т.е. объем, отнесенный к единице массы структуры; V - объемная поправка, учитывающая объем узловых частиц в структурной сетке; V - критический удельный объем системы, выше которого структура не образуется и Рт = 0 при V = V , но Рт > 0 при V, < V. .

и

е

о у

с д

с ж

ш а е

яа н с м

и с я и и м

н я т а

е а т ц

с н с и

с . >5 т

о а е с

м д а

а у о ч

н с м

к и о. с и а (0 т

е

н

о

Расстояние между частицами

Рис. 1. Взаимодействие в зоне контакта частиц с энергетических позиций

Попытки физико-химической интерпретации характера взаимодействия минеральных частиц между собой через коагуляционные контакты в различное время предпринимались различными исследователями. А.Ф. Полак [9], Б.В.Дерягин, Л.Д. Ландау [4] дали объяснение взаимодействия в зоне контакта с энергетических позиций (рис. 1). При этом определены расстояния дальней (около 10-7 м) и ближней коагуляции (около 10-9 м).

С.Я.Шалыт, Н.В. Михайлов и П.А.Ребиндер показали, что на частице наполнителя образуется пленка из кальциевых мыл, а вязкость битума по мере приближения к частице с расстояния Н0 (рис. 2) увеличивается по экспоненциальному закону [34].

Рис. 2. Строение битумной пленки в контактной зоне по С.Я. Шалыт, Н.В. Михайлову, П.А. Ребиндеру

Рис. 3. Строение пленки битума на минеральном зерне по И .В. Королеву [47, 49]. I - ориентированный слой; II - объемный битум

1а - твердообразная зона; 1б - структурированная зона;

1в - диффузионная зона - асфальтены; - ароматические углеводороды; - парафино-нафтеновые углеводороды

И.В. Королев в ряде работ [3-4] приводит качественную картину взаимодействия битума и минеральной частицы (рис. 3). Все это позволяет предположить, что средняя сила сцепления в контакте между частицами Ес является количественной оценкой, характеризующей качество коагуляционных связей. Эта сила зависит от условий формирования контакта при технологических воздействиях, от адгезионных свойств битума и каменных материалов. Видимо, этот параметр также позволяет оценить результаты воздействия на материал внешних факторов в процессе эксплуатации материала.

Процессы формирования битумной пленки на минеральных материалах начали изучать в 60-х годах на кафедре дорожно-строительных материалов ХАДИ под руководством профессора М.И. Волкова. Так, И.М. Борщ с помощью хроматографического и люминесцентного анализов установил, что в результате взаимодействия на поверхности минеральных частиц образуются адсорб-ционно-сольватные слои связанного битума. Известняковые порошки образуют более развитые слои, кварцевые - менее развитые. На поверхности зерен битумная пленка перенасыщена высокомолекулярной частью. На известняковом минеральном порошке асфальтенов и смол в граничных слоях больше, чем на кварцевом. Как на зернах пор ошка из известняка, так и на тонкозернистых зернах кварца наблюдается эффект избирательной диффузии жидких углеводородов [1].

В общем случае для частиц любого размера характерно проявление сил взаимодействия между собой и дисперсионной средой, зависящих от их природы, формы, поверхности и массы (объема). Однако для тонкодисперсных материалов определяющими являются поверхностные характеристики и явления, а гравитационное взаимодействие и прочность самих частиц малозначимы. Для крупнозернистых систем, напротив, определяющими являются их пр очность и плотность упаковки, а поверхностные факторы игр ают подчиненную р оль.

На основании этих теоретических положений в своей доктор ской работе и последующих публикациях пр о -фессор И.В. Королев использовал понятие «битумоем-кость», что позволило автору предложить расчетную методику определения оптимального содержания битума в битумоминеральных материалах [3].

В лаборатории органических вяжущих и асфальтового бетона МАДИ (ГТУ) была опробована методика, которая позволила получить результаты расчетного определения оптимального содержания битума дающая высокую сходимость с экспериментальной, рекомендованной стандартом [6].

В последние годы появилось много алгоритмов и программ, позволяющих с использованием персональных ЭВМ быстро и надежно производить проектирование асфальтобетонных смесей.

Разработанная методика, позволяет более точно расчетным путем определять оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси. Она хорошо вписывается в методику проектирования асфальтобетонных смесей, принятую в России и странах СНГ, увеличивая надежность расчетов и многократно повышая производительность труда сотрудников дорожно-строительных лабораторий [7]

Средняя сила сцепления в контакте между минеральными частицами, составляющие минеральный остов асфальтобетона может быть подсчитана по выражению, полученному после преобразования формулы Е.Д. Ях-нина была [7, 8, 12]:

Рс = Рт ■ й2 .р

,(Рп -р,) ■ (Рп -Р, )

рп 2(р, )

или

^ = Р, й 2. £1 -<'-ф, )(1 -ф' )

рп (Ф, -ф; )

(4)

(5)

где р - плотность асфальтобетона; р - плотность рыхлой асфальтобетонной смеси; р, - плотность асфальтобетонной смеси (асфальтобетона), достигнутая при уплотнении; фр - относительная плотность рыхлой асфальтобетонной смеси; ф, - относительная плотность уплотненной асфальтобетонной смеси, Рт, й, р' - то же, что и выражениях (5). При этом фр < ф, < 1,0.

Таким образом, для получения прочных асфальтовых материалов с оптимальным содержанием органического вяжущего и оптимальной структуры, способ-

ных противостоять воздействию транспортных нагрузок, температуры, воды, попеременного замораживания-оттаивания, химических реагентов и других эксплуатационных фактор ов, следует при выб оре минеральных составляющих учитывать активность поверхности и плотность минеральных компонентов асфальтобетона - порошка, песка и щебня.

Среднее число контактов между частицами в единице объема.

Прочность дисперсной системы зависит от среднего числа контактов между частицами. Установлено [7], что количество контактов, в том числе и применительно к асфальтобетонных смесям и асфальтобетону, как высококонцентрированным дисперсным системам, зависит от размер а частиц и плотности их упаковки. При этом необходимо учитывать и форму частиц.

1,0Е+13

> е 1,0Е+12 -

1,0Е+11

м 1,0Е+10 -

о т 1,0Е+09

тк а т и м 1,0Е+08

н о а ц 1,0Е+07

к о и тс 1,0Е+06

л с а ч 1,0Е+05

и ч 1,0Е+04

е е 1,0Е+03

е 1,0Е+02

р О 1,0Е+01 1,0Е+00

1,00Е+00 1,00Е+01 1,00Е+02 1,00Е+03 1,00Е+04 1,00Е+05 Размер частиц, мкм

Рис. 5 . Изменение числа контактов между монодисперсными частицами шаровой формы в зависимости от их размера

1,Е+14 1,Е+13 1 ,Е+12 -1 ,Е+11 -

НОМОГРАММА ЗИМОНА-АНДРИАНОВА

м

а ц

и

тс а

К

§ 5 1 ,Е+10 -

2 -

£ § 1 ,Е+09 -

п ¡Е

Е « 1 ,Е+08

о °

ч

е р

О

1 ,Е+07 1 ,Е+06 -1 ,Е+05 -1 ,Е+04

-1 8 800

0,60 0,65

10 20 2000

0,70 0,75 0,80 0,85 Относительная плотность

0,90 0,95

100 40

4000

1000 60 6000

10000 80 8000

2

200

2000

Рис. 6. Номограмма Зимона-Андрианова

Зимон и Андрианов предложили номограмму [7, 12], позволяющую количественно оценить среднее число контактов между частицами различного р азмер а в зависимости от относительной плотности дисперсной системы (рис. 6). При этом авторами была принята глобулярная м одель пористой структуры материала [12].

В соавторстве с Н.Б. Урьевым, В.Н. Финашиным и В.Е. Черномазом на основании номограммы Зимо-на-Андрианова [12] по выражению (6) были получены количественные оценки среднего числа контактов между частицами применительно к асфальтобетонным смесям:

невзвешенный) размер частиц можно подсчитать по формуле (7):

! = 6.7373 • е544ф- аэ,

(6)

ё экв - хар актерный

где р - относительная плотность, размер частиц.

Применительно к размерам частиц, используемым при проектировании состава минеральной части асфальтобетонной смеси, по выражению (6) построена номограмма Котлярского-Урьева-Финашина (рис. 7).

ДИАГРАММА КОТЛЯРСКОГО-УРЬЕВА-ФИНАШИНА

О 2 ё *

1,Е+12 1,Е+11 1,Е+10 1,Е+09 1,Е+08 1,Е+07 1,Е+06 1,Е+05 1,Е+04 1,Е+03

0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

-0,009 -1,25

Относительная плотность

- 0,018 -0,036 -0,071 -0,14 -0,315 -0,63

- 2,5 -5 -10 -20 -40

Рис. 7. Номограмма Котлярского-Урьева-Финашина

При проектировании асфальтобетонных смесей и количественной оценке среднего числа контактов в единице объема необходимо учитывать полидисперсность минеральных частиц, входящих в состав асфальтобетона, их количественное соотношение и форму.

Величина значения характерного размера частиц (8экв) носит при этом довольно условный характер и так же зависит от количественного соотношения частиц по фракциям каждого материала, коэффициентов формы и размера.

С определенным приближением характерный (сред-

£ экв — ^^ кф • кр •

а1 • 100

(7)

где а1 - частные остатки (количество) частиц 1-ой фракции, кф - коэффициент формы частиц, кр - коэффициент плотности частиц, - размер частиц фракции.

Удельная поверхность минеральной части асфальтобетонной смеси.

Удельная поверхность дисперсной фазы является одним из определяющих факторов, позволяющих объяснить механизм формирования и разрушения структуры битумоминеральных материалов как высококонцентри-р ованных дисперсных систем. Известны р азличные методы определения удельной поверхности твердых дисперсных материалов, основанных на воздухо- и водопроницаемости, адсорбции масла, адсорбции красителей, различные расчетные методы [3-4]. Экспериментальные методики имеют те же недостатки, что и седи-ментационный метод определения гр анулометрическо -го состава. Ряд отечественных и зарубежных исследователей в разное время предложили свои расчетные методики, однако, их точность и воспроизводимость оказалась хуже (С. Пашковский, М. Дюрьез, Голед, С. Войда-новский и др.). Они так же имеют неопределенность, связанную с оценкой плотности и формы зерен частиц р азличного размера, петр огр афическими и минер ало -гическими особенностями исходной горной породы.

Сложно точно учесть полидисперсность частиц, возможную степень агрегации высокодисперсных частиц минерального порошка. Однако, несмотря на это, с определенной надежностью эти зависимости были использованы использовать для проведения сравнительного анализа [3].

На результаты расчетов существенно влияет дисперсность минерального порошка. Она характеризуется его зерновым составом или удельной поверхностью.

Для количественной оценки удельной поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси на основании статистического прогноза получали полную кривую зернового состава порошков, включая высоко дисперсные частицы размером до 1 мкм и менее [5].

Было установлено [5], что при снижении содержания щебня в смеси от 60% (тип А) до 0 % (тип Д) расчетная удельная поверхность увеличивается в 1,62 - 2,47 раза.

Исходя из этого, очевидно, что при одинаковых технологических воздействиях на асфальтобетонную смесь, например, при уплотнении одинаковыми средствами в оптимальных технологических режимах, единичные контакты у состав ов с шар овидными минеральными частицами, непрерывной гранулометрией и повышенным содержанием щебня будут воспринимать большее уплотняющее усилие, и формирование пленочного битума в контактной зоне будет проходить по разному.

В тоже время при эксплуатации механические и де-

формативные свойства контактных связей при условии равенства аддитивных свойств, сравниваемых асфальтобетонов также должны быть выше, и расчетная методика позволяет проводить сравнительные количественные оценки.

Средняя площадь единичного контакта.

Физико-химические процессы на границе раздела фаз высоконцентрированной дисперсной системы будут зависеть от площади контактного взаимодействия.

Общую площадь всех контактов дисперсной системы после преобразований можно найти из формулы П.А. Ребиндера, Е.Д. Щукина, С.Я.Марголис [7]:

т

I $ =

где

к = (^). п23 .

(8)

(9)

Тогда средняя площадь единичного (элементарного) контакта определится как:

$ = I ^ = 1.1 = £). п"

П К П Рт

(10)

2.2.5. Средний размер единичного контакта

Можно предположить, что единичные контакты имеют форму окружности, то появляется возможность оценить их средний размер.

(11)

Не менее важной характеристикой структуры асфальтобетона являются величина средней прочности Р. единичного контакта [7]. Она может быть определена по формуле (12):

^ Р

Р _ _с. _ т

S, п

(12)

Рассмотренные структурно-механические характеристики асфальтобетонных смесей и асфальтобетона позволили разработать расчетно-экспериментальную методику их оценки. Оценка показателей структуры материала на р азных этапах его получения и эксплуатации позволяют 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 [7-8].

Выводы.

1. Формирование структуры и свойств асфальтобетона зависит от свойств и количественного соотноше-

ния исходных компонентов в асфальтобетонной смеси и технологических особенностей структурообразования материала.

2 Аддитивные св ойств а структуры формирующейся асфальтобетонной смеси определяется качеством контактов, характеризуемым средней силой сцепления в контакте ¥с и их числом в единице объема материала п, что в свою очередь связано с полидисперсными размерами частиц, слагающих минеральный остов смеси и его удельной поверхностью £ , а также и свойствами применяемых нефтяных дорожных битумов.

3. Характер и динамика разрушения асфальтобетона при воздействии эксплуатационных факторов зависит от их интенсивности и структурно -механических параметров материала.

4. Среднее число контактов между частицами может рассчитывается в соответствии с глобулярной моделью пористой структуры.

5. Структурно -механические характеристики асфальтобетона необходимо использовать для качественного и количественного описания процесса формирования и разрушения структуры асфальтобетона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков М.И. и др. Дорожно-строительные материалы. М., Транспорт, 1965. С. 347-405.

2. Зимон А.Д., Андрианов Е.Д. Аутогезия сыпучих материалов. - М., Металлургия, 1978, с.71.

3. Королев И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве. - М., Транспорт, 1986, 149 с.

4. Королев И.В. Структура и свойства теплого дорожного асфальтобетона. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М., МАДИ, 1982.

5. Котлярский Э.В. Прогноз дисперсности минерального порошка для асфальтобетонных смесей. В сб. трудов «Проблемы создания информационных технологий. Сб. научных трудов. вып. 14. Международная Академия информационных технологий. - Минск. 2006, с. 100-107.

6. Котлярский Э.В. Роль битумоемкости в формировании структуры и свойств асфальтобетонных смесей. В сб. трудов «Информационные технологии в автотранспортном комплексе» вып. 1. Международная Академия информационных технологий. Отделение при МАДИ (ГТУ). -М. 2006, с. 45-52.

7. Котлярский Э.В. Строительно-технические свойства дорожного асфальтового бетона. «Техполиграфцентр», М. 2004, -183 с.

8. Котлярский Э.В., Воейко О.А. Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации. «Техполиграфцентр», М. 2007, - с. 11-60.

9. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ. - М., Стройиздат, 1966, с.208.

10. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. - М. Наука 1966, с.3.

11. Урьев Н.Б. Высоконцентрированные дисперсные системы.

М.,: Химия, 1980. -319 с.

12. Урьев Н.Б., Финашин В.Н., Котлярский Э.В., Черномаз В.Е.

Колл.ж., 1987, т.49, № 1, с.72-76.