Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

 

Московский Государственный

Автомобильно-Дорожный Институт

(Технический Университет)

Кафедра «Дорожно-строительные материалы»

Реферат

на тему:

«Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации»

                                                        Студент:                     Мазиев В.А.

Группа:                      5СА₁

Преподаватель:       Котлярский Э.В.

                                                       

Москва 2008

Оглавление

Введение                                                                                                           3

Процессы старения асфальтобетона, его долговечность                                4

Технологическое старение битума                                                                   11

Усталостные свойства асфальтобетона                                                           12

Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации                                                                      15

Выводы                                                                                                             19

Список используемой литературы                                                                   20

Введение

Автомобильные дороги занимают важное место в развитии экономики любой страны.

С середины 20 века наибольшее распространение на автомобильных дорогах получили асфальтобетонные покрытия. Асфальтобетоном называется искусственный строительный материал, полученный в результате уплотнения специально приготовленной и рационально подобранной смеси щебня, песка, минерального порошка и битума.

Широкое применение асфальтобетонных покрытий объясняется рядом положительных качеств, а именно:

- достаточной механической прочностью;

- воспринимать упругие и пластические деформации;

- хорошим сцеплением с шинами транспортных средств, что обеспечивает безопасные условия дорожного движения;

- ровностью покрытия, обеспечивающей комфортность и бесшумность скоростного движения и удобство пассажирам;

- демпфирующей способностью, позволяющей гасить колебания и вибрацию, возникающую при движении автомобильного транспорта;

- технологичностью и ремонтопригодностью, обеспечивающей простоту выполнения ремонтных работ и устранения дефектов;

- возможностью полной механизации работ при приготовлении, строительстве и ремонте.

Покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации находится под воздействием, главным образом, двух  групп факторов – погодно-климатических  и механических, обусловленных нагрузками от транспортных средств. Под воздействием именно этих двух групп факторов происходят необратимые изменения свойств и структуры асфальтобетона в слое покрытия, снижающее его долговечность.

На прочность и долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий значительное влияние оказывают усталостные явления, вызываемые нагрузками от транспортных средств и усиливаемые неровностями проезжей части.

При оценке долговечности асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать все факторы в их комплексе (взаимосвязи), так как результат их совместного воздействия на покрытие существенно отличается от влияния каждого фактора в отдельности.

Процессы старения асфальтобетона, его долговечность

 

Асфальтовый бетон в процессе работы в дорожных покрытиях подвер­гается воздействию комплекса атмосферных факторов и во времени изме­няет свои свойства. Одной из причин разрушения асфальтобетонных по­крытий является старение битума, входящего в состав материала, что свя­зано с потерей им вязкопластических свойств. Это обуславливается испарением масел, входящих в состав битумов. Интенсивность этого про­цесса зависит от температуры их кипения, величины поверхности испаре­ния и упругости паров, насыщающих пространство. По его мнению, способ­ны испаряться масла с молекулярной массой ниже 400. Это обстоятель­ство требует экспериментального и теоретического подтверждения.

Вторым важным фактором старения органических вяжущих в асфальто­бетоне является химическое изменение компонентов битума с образовани­ем новых высокомолекулярных органических соединений. Эти изменения связаны с процессом окисления. Интенсивность этого процесса зависит от величины и совокупности действия многих факторов - теплового воздей­ствия, солнечного света, механических воздействий, действия солей ме­таллов переменной валентности (железа, меди, марганца...) и др

При старении асфальтобетона в слое дорожного покрытия под воздей­ствием кислорода воздуха, температурных условий и воды ярко прояв­ляется четыре основных стадии этого процесса: упрочнение структу­ры, ее стабилизация, начало развития деструкционных процессов и разрушение. Длительность каждой стадии, определяется многими факто­рами: технологией приготовления смесей и ее параметрами, проис­хождением, свойствами и зерновым составом минеральных материалов, характером взаимодействия вяжущего с поверхностью минеральных мате­риалов, режимом технологии уплотнения смесей, интенсивностью дви­жения транспортных средств и степенью их удельного давления на покрытие, климатическими условиями региона и др.

            Первая стадия старения асфальтобетона характеризуется его уп­рочнением, повышением водостойкости и снижением деформативных материала, которые происходят под действием уплотня­ющих нагрузок от транспортных средств, а также под воздействием погодно-климатических факторов и процессов взаимодействия битума с минеральными материалами (перераспределением активных

соединений битума в объеме битумных пленок по их толщине с повышением концентрации высоко­молекулярных соединений - асфальтенов  на границе с минеральной поверхностью), вызывающих уменьшение количества масел и увеличение количества смол и асфальтенов в асфальтобетоне, а также повышение когезии битума. Вторая стадия старения наиболее продолжительная и характери­зуется практической неизменностью показателей прочности асфальто­бетона. Однако водо- и морозостойкость этого материал на второй стадии старения снижаются.

            Третья и четвертая стадий старения характеризуются резким снижением прочности асфальтобетона, ростом его водонасыщения, уменьшением водо- и морозостойкости, которые могут привести к быстрому, разрушению дорожного покрытия. При этом четкой границы между третьей и четвертой стадиям и не существует. Для предотвращения обвального разрушения дорожного покрытия, вызванного интенсивным старением асфальтобетона, и своевременного назначения ремонтных работ с целью продления его срока службы необходимо периодически (непосредственно после изготовления и на разных стадиях эксплуатации) оценивать и прогнозировать долговеч­ность покрытия.

Представление о старении органических вяжущих основывается на тео­рии цепных химических реакций Н.Н. Семенова. Основная роль в этих

реакциях принадлежит пероксидным и гипероксидным соединениям, ко­торые образуются на начальных стадиях взаимодействия кислорода с углеводородами. Эти неустойчивые соединения распадаются на свобод­ные радикалы и дают начало новым цепям окислительных реакций. При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных углеводородов с выделением газообразных и жидких веществ (СО, С0₂, Н₂0, CH₂0, CH3CHOR - СООН). Ненасыщенные группы углеводородов, со­держащиеся в органических вяжущих, сравнительно легко отдают водород, который соединяется с кислородом воздуха, переводя их в еще более не­насыщенные химические соединения, которые затем уплотняются (поли-меризуются), образуя более сложные высокоуглеродистые соединения. В процессе старения изменяется групповой состав битума, что характери­зуется уменьшением масляной и увеличением смолисто-асфальтеновой составляющих (рис.1).                                                             

Рис.1 Изменение группового состава битума после старения

Эти изменения вызывают изменения структуры и свойств битума и асфальто­бетона - повышается вяз­кость, теплоустойчивость, жесткость и упругость, пони­жается пластичность. Это способствует хрупким разру­шениям асфальтобетона при низких зимних температурах.

Процесс старения ас­фальтобетона различных со­ставов в 60-е годы XX века при воздействии различных эксплуатационных факторов был исследован в ЦНИЛ Гушосдора Э.М. Ваулиным, Г.Н. Никифоровым и С.В. Шестоперовым. Было установлено, что при старении прочность асфальтобетона увеличива­ется (рис. 2), а ее 30% уве­личение вызывает резкое снижение трещиностойкости материала в зимний период.

Рис.2  Изменение прочности асфальтобетона

после длительного прогрева при температуре 90° С

 

В последующие годы бы­ло установлено, что интен­сивность описанных выше процессов зависит от того, каким образом прогревался битум - в объеме или в плен­ке, покрывающей минераль­ные частицы. Пленочный би­тум в асфальтобетоне стареет, при прочих равных условиях, интенсивнее. Это позволило разделить процессы старения, протекающие на технологической стадии и  аналогичные процессы в период эксплуатации. Совершенствование   технологии приготовления асфальтобе­тона привело к тому, что в последнюю четверть прошлого столетия и на современных асфальтобетонных заводах стали появляться накопительные бункера для хранения приготовленной асфальтобетонной смеси. Время хранения может составлять до 1 смены и даже 1 суток. В процессе этой технологической операции может происходить интенсивное старение битума в пленках на поверхности минеральных частиц.

В отличие от этого старение на стадии эксплуатации асфальтобетонных  покрытий происходит гораздо медленнее, а время измеряется годами.

Регулировать процессы технологического старения битума в асфальтобетоне можно использованием более термостабильных  вяжущих и обоснованием температурных режимов приготовления, доставки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей. Старение на стадии эксплуатации может быть замедленно при использовании соответствующих поверхностно-активных веществ.

 Процесс старения асфальтобетона на поверхности и в глубине асфальтобетонного покрытия в связи с различием действия атмосферных факторов  протекает неодинаково. В верхней части покрытия уже через несколько лет эксплуатации асфальтобетон может сильно состариться, а в нижней части асфальтобетон свои вязкоупругие свойства. Таким образом, старение асфальтобетона наибольшее влияние оказывает на нисходящее усталостное трещинообразование, что проявляется образованием продольных трещин по краям зоны полосы наката. В районах с климатическими  условиями, ускоряющими процессы старения (например, юг России), все мероприятию по замедлению старения органических вяжущих в покрытии эффективны и с точки зрения увеличения усталостной долговечности

Под долговечностью асфальтобетона обычно понимается время, в течение которого этот материал сохраняет свои основные свойства на уровне, удовлетворяющем требованиям его эксплуатации в слое дорожного покрытия.

Долговечность является важнейшей характеристикой дорожных асфальтобетонных покрытий. Долговечность асфальтобетона должна учитываться при конструировании дорожных одежд, разработке новых технологий приготовления асфальтобетонных смесей, проектировании их составов, применении модифицирующих добавок в процессе получения смесей с целью улучшения их качества. Во многих случаях долговечность асфальтобетона является главным критерием при выборе составов технологий приготовления различных асфальтобетонных смесей.

Исследованием влияния эксплуатационных воздействий на долго­вечность асфальтобетона занимались специалисты многих стран. Однако, не­смотря на многочисленные работы в этой области, которые продолжа­ются и в настоящее время, нельзя считать, что выявлены все воздейст­вия и полностью изучены механизмы их влияния на асфальтобетон.

Наоборот, по мере исследования отдельных факторов, появляются новые, ранее неизвестные, требующие более тщательного рассмотре­ния их влияния на долговечность и надежность работы асфальтобетон­ных покрытий. В зависимости от этих факторов могут меняться количе­ственные характеристики сроков службы дорожных покрытий. Эксплуа­тационные воздействия, способствующие разрушению структуры ас­фальтобетона можно условно разделить в три основные группы:

- воздействие автотранспортных средств на асфальтобетон до­рожной конструкции;

- воздействие окружающей  среды,  вызывающие снижение структурно-механических характеристик асфальтовых бетонов;

-воздействие факторов, связанных с эксплуатацией асфальтобетонных покрытий.

Рис.3 Основные эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные конструктивные слои дорожной одежды

Оценка долговечности асфальтобетона была и остается важней­шей проблемой прогнозирования его срока службы в покрытие дорож­ной одежды. Однако, несмотря на важность ■ большую значимость долговечности асфальтобетона, в настоящее время отсутствуют стандартизированные показатели, позволяющие оценивать эту характеристику, а испытания асфальтобетона с определением показателей, предусмотренных ГОСТ 9128-97 на асфальтобетон, не позволяют ее прогнозировать. Это обусловлено тем, что долговечность до­рожного асфальтобетона является комплексной характеристикой, зави­сящей от многих факторов, в числе которых климатические условия, параметры воздействия на покрытие нагрузок от транспортных средств характер конструкции дорожной одежды и свойств основания, структу­ра и особенности свойств асфальтобетонов в слое дорожного покрытия

В связи с отсутствием стандартизованных методов прогнозирова­ния срока службы асфальтобетонных покрытий и их чрезвычайной важ­ностью появилось большое число различных нестандартизованных  пока­зателей и методик, позволяющих при проведении сравнительных испы­тании оценивать долговечность дорожных асфальтобетонов.

Вот несколько их них:

а) Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по данным их визуального осмотра.  Визуальный осмотр позволяет наиболее быстро дать оценку состояния дорожных покрытий, интенсивности образования на них деформаций и разрушений. Однако этот метод при всей его простоте и удобстве наименее  точный и  используется, главным образом на стадии выборочной предварительной оценки состояния дорожных покрытий. При этом под деформацией покрытия понимается изменение  размеров или формы его поверхности без потери сплошности асфальтобетона и уменьшения его массы. Разрушение  - изменение размеров и формы поверхности покрытия при потере сплошности и изменении массы асфальтобетона. Оценка  и прогнозирование долговечности производится путем сопоставления и анализа данных с требованиями предъявляемых к покрытиям автомобильных дорог.

На основании результатов, полученных в ходе анализа при сопоставлении данных обследования покрытия с требованиями , предъявляемыми к нему, дается заключение о состоянии покрытия, прогнозе его долговечности, возможности дальнейшей эксплуатации и т.д. 

б) Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по интенсивности их износа. Износ характеризуется потерей массы материала, отнесенной к площади оцениваемого участка. В пределах проезжей части износ покрытия происходит неравномерно. Неодинаковый износ по площади дорожного покрытия обусловлен следующими факторами: непостоянством  прочности поверхностного слоя по площади; низкой  ровностью, что приводит к ударным нагрузкам и застою воды на поверхности и т.д. Поэтому для точного определения износа покрытия необходимо проведение многочисленных измерений в пределах оцениваемого участка. Периодический контроль степени износа дорожных покрытий является непременным  условием своевременного обнаружения дефектов и назначения соответствующих ремонтных работ, позволяющих продлить срок его службы. Толщина изнашиваемого слоя определяется путем сравнения условной отметки поверхности покрытия в момент ее определения с первоначальной отметкой:

Δh = h_n-1-h_n

h_n- отметка поверхности покрытия при последнем измерении, м;

h_n-1 – отметка поверхности при  предшествующем измерении, м.

По результатам испытания дорожного покрытия на износ можно рассчитать долговечность (срок службы) этого материала по износу в слое покрытия:

Т = h₀/ Δh_г

h₀ – максимальная величина износа слоя покрытии, допускаемая условиями его эксплуатации, см:

Δh_г – величина износа покрытия за год, см.

в) Прогнозирование долговечности асфальтобетона при оценке свойств исходного битума. Данный метод учитывает тот факт, что изменение свойств асфальтобетона под воздействием природно-климатических факторов с течением времени обусловлено, главным образом, изменениями свойств битума. Сравнительная оценка влияния на битум различных факторов старения  показывает, что доминирующим является термоокислительной старение  - окисление происходящее при нагревании битума в присутствии кислорода. Для  оценки прогнозирования интенсивности старения битума широко используется метод инфракрасной спектроскопии. Об интенсивности старения битумов обычно свидетельствуют глубокие полосы в области частот  1100, 1340. 1380 см^-1 (валентные колебания группы СН₃), 1600 см^-1 (плоскостные колебания С=С связи в бензольном кольце; их интенсивность указывает на содержание ароматических структур в битумах), 1700 см^-1  (валентные колебания карбонильной группы С=О, по их интенсивности можно судить о погодостойкости  битумов) и т.д.

 

г) Прогнозирование долговечности асфальтобетона  путем  определения  его износостойкости. Долговечность дорожных покрытий в значительной мере определяется износостойкостью асфальтобетона в покрытии может выражаться в истирании (поверхностный износ), внутреннем износе и шелушении. При правильном подборе состава и соблюдении требований  технологии приготовления  асфальтобетонных смесей износ покрытия  будет определяться главным образом, истиранием его структурных элементов, т.е. в значительной степени адгезией битума с поверхностью минерального материала. Установлено. Что именно износостойкость по истиранию, в основном, определяет срок службы покрытия. Износ асфальтобетона является сложным процессом и не поддается вычислению по формулам. Для описания процессов износа асфальтобетона в взаимосвязи с комплексом воздействующих на него факторов отсутствуют даже приближенные уравнения, поэтому износостойкость  рассматривают, как самостоятельную характеристику.

Долговечность асфальтобетона в значительной степени опреде­ляется его прочностью на изгиб в весенний период. С увеличением расхода вяжущего прочность на растяжение при изгибе асфальтобето­на вначале возрастает, а затем, после максимальных значений, ко­торым соответствует оптимальное содержание битума, снижается. Эта тенденция сохраняется при любом расходе минерального порошка в асфальтобетонных смесях.

Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий во многом определяется сдвигоустойчивостью асфальтобетона в летнее время и его температурной трещиностойкостью зимой. Эти качества асфаль­тобетона могут оцениваться по пределам прочности при +50 и 0 °С. При этом асфальтобетоны на более вязком битуме (БНД40/60, БНД 60/90) характеризуются повышенной прочностью, более высокими коэффициентами водостойкости по сравнению с асфальтобетонами на битумах марок БНД 90/130 и БНД 130/200. Однако повышение прочнос­ти асфальтобетона, как правило, сопровождается снижением его трещи-ностойкости в период отрицательных температур.

Одним из основных свойств, характеризующих долговечность ас­фальтобетонных покрытий в 1-3 дорожно-климатических зонах, явля­ется морозостойкость асфальтобетона, оцениваемая потерей проч­ности материала после заданного количества циклов замора­живания-оттаивания (коэффициентом морозостойкости) и количеством переходов температуры через О °С сквозь всю его толщу. Перед ис­пытанием на морозостойкость образцы асфальтобетона насыщают во­дой. Коэффициент морозостойкости устанавливается как отношение предела прочности на сжатие при 20 °С образцов асфальтобетона после определенного количества циклов замораживания-оттаивания к пределу прочности образцов после их водонасыщения. Один цикл обычно включает замораживание при температуре -20 (-25)  С в те­чение 4 ч и оттаивание такое же время в воде при комнатной тем­пературе (+20 °С).

Кроме рассмотренных методов и показателей, с помощью которых можно лишь косвенно оценить долговечность асфальтобетона, рядом исследователей предлагаются комплексные критерии, позволяющие, по их мнению, более точно прогнозировать срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий. К таким комплексным критериям оценки долговечности асфальтобетона можно отнести показатели его долго-временной прочности, вязкости, прочности при сдвиге, выносливос­ти  устанавливаемые при положительных и отрицательных температурах.

            Под долговременной прочностью асфальтобетона понимается время от начала деформирования материала до его разрушения, в достаточно широком интервале времени (от I до 5000 с). Пока­затель долговременной прочности предлагается устанавливать в ус­ловиях простого сдвига путем кручения цилиндрических образцов асфальтобетона при постоянных скорости деформирования или вели­чине действующей нагрузки.

         Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на долговечность является плотность  асфальтобетонных покрытий. Недостаточное уплотнение покрытия может свести на нет любые мероприятия, направленные на повышение качества и долговечности покрытия. Недоуплотненные покрытия разрушаются до приобретения необходимой плотности, в первую очередь выходят из строя полосы, где нет движения и не происходит доуплотнения асфальтобетона.

К важным комплексным критериям прогнозирования долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий следует отнести усталость и (или) выносливость асфальтобетона, так как этот материал, находясь в слое покрытия под воздействием транспортных средств, подверга­ется многократным усталостным циклическим нагружениям. При этом сплошность слоя из асфальтобетона не будет нарушена, если возни­кающие в нем при многократном изгибе растягивающие напряжения не будут превышать допускаемых напряжений, устанавливаемых по ВСН 46-83 с учетом усталостных явлений.

Под усталостью в общем случае понимается изменение состоя­ния материала в результате - мноогократного (циклическиго) деформи­рования, приводящее к его разрушению. Выносливость – способность материала сопротивляться действию повторных (циклических) нагрузок. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносли­вости - напряжением, соответствующим разрушению при заданном большом числе циклов нагружений (наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения заданное число раз).

Технологическое старение битума

В процессе приготовления, хранения в накопительном бункере и транспортирования асфальтобетонной смеси битум в виде тонких пленок на поверхности минерального материала находится при высоких температурах. Это создает благоприятные условия для интенсивного протекания в нем термоокислительных и других процессов, приводящих к старению битума. Интенсивность старения битума при выдерживании смеси в бункере и в процессе транспортирования определяется температурным режимом смеси, ее составом, типом дисперсной структуры битума, толщиной битумной пленки на зернах минеральных материалов и степенью ее структурированности.

В тонких пленках при высокой температуре процессы старения протекают настолько интенсивно, что практически через каждый час битум переходит в другую марку с более высокой вязкостью. В итоге асфальтобетон в покрытии содержит битум с меньшей глубиной проникания иглы, чем было принято при подборе его состава. Это обстоятельство — одна из главных причин существенного сокращения срока службы асфальтобетонных покрытий.

При выборе марки битума для асфальтобетона необходимо учитывать не только дорожно-климатическую зону эксплуатации покрытия, как это рекомендует ГОСТ 9128-97, но и изменение свойств битума в технологическом процессе. При этом в зависимости от его продолжительности марочную вязкость битума необходимо уменьшать путем применения менее вязких марок битумов заводского приготовления или, при отсутствии такой возможности, разжижения исходного битума до требуемой вязкости.

Повышение температуры и увеличение времени выдерживания смеси при этой температуре ускоряют старение битумов. В этих условиях помимо толщины битумной пленки большую роль играет степень ее структурированности минеральным порошком. В смесях для асфальтобетонов с меньшей остаточной пористостью старение битума происходит медленнее, чем в смесях для более пористых асфальтобетонов.

Независимо от состава смеси и качества процессы старения битума в пленках резко интенсифицируются при температуре 160 °С и выше.

Усталостные свойства асфальтобетона

Усталость  - это явление снижения механической прочности в результате многократного воздействия нагрузок. Усталость асфальтобетонов описывается следующими выражениями:

lg(σ/σ_t)= -1/n₁ lg N

lg (ε/ε_t)= -1/n₂ lg N,

где N – число повторных нагрузок, которое выдерживает асфальтобетон до разрушения;

δ,ε – амплитуда напряжения либо относительной деформации в каждом цикле нагрузка-разгрузка;

σ_t – однократное разрушающее напряжение  (предел прочности) при данной длительности кратковременного нагружения;

ε_t – предельной относительное удлинение при данной длительности нагружения;

n₁, n₂ – коэффициенты усталости, зависящие от состава и свойств асфальтобетона.

 Повышенный интерес к вопросам усталостного разрушения дорожных покрытий объясняется увеличивающимся с каждым годом транспортным потоком, с одной стороны, и снижением реальных сроков службы асфальтобетонных покрытий, с другой стороны.

При воздействии на дорожную конструкцию нагрузок от движущихся транспортных средств в слоях асфальтобетонного покрытия вследствие прогиба дорожной конструкции возникают растягивающие и сжимающие напряжения. Деформации изгиба в слоях покрытия при движении непрерывного потока автомобилей носят циклический характер.

Разрушение асфальтобетона при многократном циклическом нагружении обусловлено процессами усталости, т.е. образованием и накоплением микродефектов с последующим их развитием в макродефекты, снижением прочности во времени.

При проходе колеса автомобиля максимальные растягивающие напряжения возникают в подошве покрытия. Хотя активные напряжения существенно меньше критических, локальные напряже­ния, связанные с неоднородностью материала, могут отклоняться от среднего значения и в местах, где они превышают предел прочности пленок битума, связи рвутся. Повторные приложения нагрузок приводят к накоплению разорванных связей и образованию микро­полостей. В результате через определенное число циклов приложения нагрузки в подошве покрытия под полосой наката возникают микротрещины, объединяющиеся затем в макротрещины. Макро­трещины растут одновременно в двух направлениях: вверх и параллельно плоскости покрытия. Еще через определенное число циклов нагружения трещина прорастает сквозь покрытие и становится видимой на его поверхности. В соответствии с описанным механизмом процесс разрушения покрытия можно разделить на две стадии: накопление повреждений и рост магистральной трещины.

Традиционные представления о развитии усталостных разру­шений связаны с образованием трещин в подошве асфальтобетонного покрытия вследствие прогиба слоев дорожной одежды. Однако многочисленные международные исследования, выполненные в последние годы, показали, что усталостное трешинообразованис может развиваться и от поверхности дорожного покрытия вниз.

В ходе разработки «Руководства по механико-эмпирическому проектированию новых и реконструируемых дорожных одежд» (США) рассмотрено два типа усталостного трещинообразования: восходящее (Alligator) и нисходящее.

Восходящее усталостное трешинообразованис начинается с появления коротких продольных и поперечных трещин на полосе наката, которые быстро распространяются, образуя сетку трещин (рис. 17). Размер ячейки уменьшается за счет появления дополнительных трещин, и сетка трещин переходит в растрескивание типа «кроко­диловая кожа» с размером ячеек менее 50 х 50 см. Эти трещины образуются в подошве асфальтобетонного покрытия и распро­страняются к поверхности под действием многократных нагрузок.

Основные причины, приводящие к возникновению высоких растягивающих напряжений и деформаций на нижней поверхности

асфальтобетонных слоев, следующие:

- относительно тонкие или слабые (по прочности на растяжение при изгибе) асфальтобетонные слои для заданной транспортной нагрузки;

- высокие транспортные нагрузки и давление шин колес

автомобилей;

- слабые основания вследствие некачественного уплотнения увеличенного содержания влаги в фунте земляного полотна и другие

причины.

Механизм образования нисходящих усталостных трещин (продольное трещинообразование) пока точно не установлен.

Рассматриваются следующие механизмы:

- критические растягивающие и сдвигающие напряжения на поверхности асфальтобетонного покрытия, вызванные воздействием шин колес автомобилей с высоким контактным давлением;

- интенсивное старение асфальтобетонного слоя на поверхности приводит к повышению его жесткости, что при действии транспортной нагрузки способствует появлению и ускоренному развитию трещин.

Следует отметить, что влияние модуля упругости земляного полотна на нисходящее усталостное трещинообразование противо­положно его влиянию на восходящее. Если повышение модуля упругости Фунта приводит к замедлению образования восходящих усталостных трещин, то нисходящее фещинообразование при этом увеличивается. Любой фактор, повышающий прочность основания (более прочный фунт земляного полотна, укрепленное основание и т.д.), вызывает повы­шенные растягивающие напряжения в поверхностном слое и увеличивает продольное трещинообразование.

Усталостное разрушение асфальтобетонных покрытий сущест­венно зависит от его толщины. Моделирование усталостного разрушения и экспериментальные наблюдения на 82 секциях, Расположенных в 24 штатах, позволили установить зависимость, согласно которой наибольшему усталостному разрушению подвержены асфальтобетонные покрытия толщиной 7,6-12,7 см.

            Увеличение или уменьшение толщины асфальтобетонного покрытия приводит к повышению его усталостной долговечности. Учитывая, что в Российской Федерации на эксплуатируемых дорогах 3,4 категории толщина двухслойного асфальтобетонного покрытия составляет 10-14 см, основной механизм разрушения покрытий имеет усталостный характер. Этот факт был отмечен и Л. Ротенбургом при анализе причин преждевременного разрушения дорожных одежд в странах СНГ.

Наблюдения за состоянием автомобильных дорог при эксплуа­тации показывают, что процессы разрушения дорожных одежд «усиленной» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев более 18 см) и «средней» прочности (с толщиной асфальтобетонных слоев 10-14 см) имеют различный характер. При малой толщине слоев асфальтобетона в подошве покрытия возникают большие растяги­вающие напряжения, приводящие к появлению поперечных и продольных трещин по полосам наката. В летний период возможен процесс «залечивания» трещин. Однако быстрое развитие сквозных трещин (учитывая малую толщину асфальтобетонных слоев) способст­вует прониканию атмосферных осадков в нижележащие слои дорожной одежды и грунт земляного полотна, их ослаблению, что в свою очередь при воздействии транспортных нагрузок приводит к образованию сетки трещин.

При работе дорожных одежд усиленной прочности, возни­кающие в подошве слоев асфальтобетона незначительные растяги­вающие напряжения, обуславливают длительный период накопления усталостных разрушений. Например, наблюдения за участком автомобильной дороги с общей толщиной асфальтобетонных слоев 32 см показали, что через четыре года эксплуатации трещины на поверхности покрытия отсутствовали. Вскрытие дорожной одежды выявило наличие большого числа преимущественно поперечных трещин на нижней поверхности дорожного покрытия. Процесс прорастания трещин на всю толщину покрытия может продлиться от 6 до 12 лет в зависимости от интенсивности движения и климатических факторов. Однако развитие усталостных разрушений значительно ускоряется при наличии на покрытии дефектов. Так, образующиеся при перепаде температур поперечные трещины являются зоной повышенных растягивающих напряжений (нарушенная сплошность асфальто­бетонного покрытия приводит к увеличению деформаций в зоне трещины при проезде автомобиля). Вследствие этого по полосам наката в зоне поперечных трещин наблюдается ускоренное разрушение покрытия. Также дорожные одежды с повышенной толщиной асфальтобетонных слоев могут быть подвержены нисходящему продольному трешинообразованию, особенно в южных районах, где процессы старения асфальтобетона протекают наиболее интенсивно.

Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

Структура – это совокупность устойчивых связей и отношений объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е . сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

Асфальтобетонные смеси и асфальтовый бетон представляют собой высококонцентрированные дисперсные системы, которые характеризуются сильно развитой межфазной поверхностью S_уд    и высокой концентрацией дисперсной фазы  φ в жидкой (для смесей при перемешивании и на начальной стадии уплотнения) или газовой дисперсионных средах.

Аддитивные свойства асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов определяются макро-  и мезо-, и, в особенности микроструктурой. Следовательно, создание оптимальных условий для формирования микроструктурных контактных связей может в значительной мере способствовать образованию материалов с высокими эксплуатационными показателями.

Задачу получения композиционных материалов с заданными свойствами можно решить с учетом основных положений физико-химической механики высококонцентрированных систем. Как отмечал академик П.А. Ребиндер, физико-химическая механика – это наука о закономерностях формирования структур  в самых разнообразных дисперсных системах и материалах, которые устанавливаются путем изучения механизма молекулярно-поверхностных явлений в процессах образования и разрушения этих структур. Установление закономерностей формирования структур позволяет получить материалы с заданными свойствами с помощью технологических процессов переработки разнообразных веществ и материалов, применяемых в качестве исходного сырья.

Основное требование, предъявляемое к любым материалам: они должны обладать высокими структурно-механическими характеристика­ми, определяющими их долговечность и надежную работу в инженерной конструкции. Это может быть достигнуто при максимально возможном приближении их прочности к прочности бездефектного тела.

По мнению профессора С.В. Шестоперова свойства материала, в том числе и структурно-механические, должны соответствовать условиям его работы в сооружении или конструкци.

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

Минеральный порошок обладает наибольшей по сравнению с дру­гими компонентами минеральной части асфальтобетонной смеси сум­марной поверхностью и наибольшей поверхностной энергией При объ­единении битума с минеральным порошком происходят процессы взаи­модействия, в результате которых битум, сорбированный поверхностью зерен, образует тонкую оболочку. Ее плотность, адгезионные и когезионные свойства зависят как от свойств поверхности минеральной составляющей (химико-минералогического состава, пористости и микро­рельефа поверхности тонкодисперсных частиц), так и от свойств битума (его группового и химического состава, активности и адгезионной спо­собности) На технологической стадии и в процессе эксплуатации ас­фальтобетона в дорожных покрытиях в адсорбционно-сольватной оболочке на поверхности минеральных зерен может происходить перерас­пределение составляющих группового состава битума.

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 δ_acc и прочность R_acc 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 d_i. 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:

P_m=nP_i,

_где р_т _ 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 F_c

F_c = 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)

F_c(k) = F_c/(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.

Выводы

При различных температурах и эксплуатационных воздействиях, работоспособность асфальтобетона может описываться различным» показателями его свойств. Из этого следует, что данный материал должен обладать определенным комплексом свойств, который, в свою очередь, определяется условиями эксплуатации дорожного покрытия.

Для обеспечения необходимой работоспособности, асфальтобето­на количественные значения его свойств должны находиться в неко­торой области, при выходе за пределы которой может наступить отказ (существенное ухудшение свойств). При этом долговечность может характеризоваться кинетикой изменения свойств асфальтобе­тона под воздействием эксплуатационных факторов.

Таким образом, при оценке долговечности, асфальтобетона необходимо выбирать такие показатели и условия, которые характе­ризует напряженное состояние дорожного покрытия при наиболее ха­рактерных возможных причинах его разрушения. При этом целесооб­разно выделить в самостоятельную группу все основные показатели, которые характеризуют напряженное состояние асфальтобетона в определенный температурно-влажностный период, К таким основным показателям могут быть обнесены:

-   предел прочности на растяжение при изгибе при +10  С и, модуль упругости при +10 °С;

-   коэффициент трещиностойкости, представляющий собой соотно­шение прочностных и деформативных свойств материала;

-   показатель износостойкости, характеризующий сопротивляе­мость асфальтобетона износу.

Следует отметить, что перечисленные показатели имеют тенденцию к уменьшению своих значений после воздействия на асфаль­тобетон факторов, моделирующих условия эксплуатации этого матери-ада в слое дорожного покрытия - поэтому данные показатели свойств асфальтобетона должны определяться. После проведения дополнитель­ных испытаний в климатологической камере в условиях искусственно­го старения асфальтобетона.

Необходимо отметить, что при проектировании составов асфальтобетонных смесей, свойства которых отвечают условиям их работы в конструктивных слоях дорожной одежды, необходимо учитывать, что:

- воздействие химически агрессивной среды вызывает необратимые изменения в структуре асфальтобетона. Уменьшается среднее количество элементарных контактов в единице объема и средняя прочность единичного контакта;

- при агрессивном воздействии противогололедных реагентов снижаются структурно-механические свойства асфальтобетона, увеличивается пористость, снижается прочность, наблюдается шелушение и выкрашивание поверхности асфальтобетона;

- наиболее агрессивной по отношению к асфальтобетону с химической точки зрения является нитратная среда;

- деструктивные процессы в поверхностном слое материала протекают динамичнее, чем во всем объеме материала.

Одной из главных причин ускоренного старения битума в асфальтобетонных покрытиях является несовершенство существующей высокотемпературной технологии подготовки битума на отечественных асфальтобетонных заводах. В процессе хранения, обезвоживания, нагрева происходит интенсивное старение битума и снижение его качественных показателей. Учитывая цепной характер процессов окисления, протекающих в битуме, интенсивность старения не снижается и после введения органического вяжущего в асфальтобетонную смесь. Поэтому реализация на асфальтобетонных заводах конструктивных и технологических решений по внедрению низкотемпературной технологии подготовки битума позволит замедлить старение асфальтобетонных покрытий и повысить их усталостную долговечность.

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.
8. http://stroy-technics.ru/article/starenie-bituma-v-tekhnologicheskom-protsesse

Московский Государственный Автомобильно-Дорожный Институт (Технический Университет) Кафедра «Дорожно-строительные материалы»

Больше работ по теме: