Структура и текстура асфальтобетона, механизм его сопротивления транспортным нагрузкам

Структура асфальтобетона. Она опре­деляется качеством и количеством сос­тавляющих, их сочетанием, размещением и связями между ними. Структура ас­фальтобетона определяет его главные свойства: прочность и деформативность, плотность и атмосферостойкость, старение и долговечность.

Структура асфальтобетона весьма сложна, так как минеральные компо­ненты полидисперсны. Размеры минераль­ных зерен изменяются в пределах от 10^-3 до 40 мм. Это предопределяет различие в характере взаимодействия между мине­ральными частицами и вяжущим. Поли­дисперсность предопределяет полиструктуру асфальтобетона, выражающуюся в расположении одной структуры в дру­гой.

Микроструктура, состоящая из биту­ма и наполнителя (минерального порошка), выполняет роль связующего (асфальтовяжущего) и соединяет в моно лит мелкий и крупный заполнитель.

Мезоструктура, состоящая из песка и связующего, заполняет пустоты в щеб­не и обеспечивает требуемую плотность материала.

Макроструктура, формирующаяся из крупного и мелкого заполнителей, обес­печивает прочность материала и предоп­ределяет структуру и текстуру асфальто­бетона.

Полидисперсность минеральной части асфальтобетона определяет также особен­ности взаимодействия частиц различного размера с вяжущим. Чем меньше части­цы, тем в большей степени проявляются их химические свойства, тем выше их структурирующее действие на битум, и, наоборот, чем крупнее частицы, тем в большей степени играют роль их меха­нические свойства Исходя из этого при­нято частицы размером 0,14... 0,001 мм относить к наполнителям, а частицы 0,14... 5 мм — к мелким и 5... 40 мм - к крупным заполнителям.

Начнем рассмотрение с наименее слож­ной двухкомпонентной системы - мик­роструктуры, состоящей из битума и на­полнителя. Прочность микроструктуры зависит от количества и взаимосвязи компонентов, пористость - от соотно­шения наполнитель - битум. Прочность микроструктуры резко изменяется в за­висимости от содержания наполнителя. На начальном участке I кривой изменение прочности прямо пропорционально количеству вводимого на­полнителя. В этом случае минеральные частицы с образующимися на их поверх­ности ориентированными слоями битума не взаимодействуют между собой, фор­мируется базальная структура асфальтовяжущего вещества. Увеличение прочности объясняется ростом гидродинамического сопротивления движению. С увеличением содержания наполнителя (участок П) рас­стояние между отдельными частицами становится меньше, чем сумма толщин структурированных оболочек двух сосед­них частиц, и с вой el за системы обуслов­ливаются степенью в злимо действия ориен­тированных слоев. Это приводит к фор­мированию поровой структуры материала. Высокая прочность асфальтовяжущего ве­щества в точке экстремума объясняется тем, что битумная пленка на зернах тол­щиной 0,23... 0,25 мкм полностью находится в ориентированном состоянии под действием поверхностных сил мине­ральных зерен. Точка экстремума соот­ветствует максимальному значению сред­ней плотности.

При увеличении количества наполни­теля выше оптимального предела в сис­теме увеличивается число пор, битума не хватает для обволакивания минеральных зерен, появляются контакты по твердой поверхности (контактная струк­тура). Все это приводит к резкому сни­жению прочности (участок III).

Оптимальное количество битума взаи­мосвязано с его вязкостью. Так, для би­тума марки БНД 90/130 оно составляет 16 %, а для битума марки БНД 200/300 -14,5%. Различие в оптимальном количестве битума объясняется прежде всего строением его пленок. В высоковязких битумах толщина пленки на зернах всегда больше, чем в менее вязких битумах. Следовательно, в асфальтовяжущем оптимальной структуры битум находится в наи­лучшем состоянии. Нарушение этого со­отношения приводит к снижению проч­ности асфальтовяжущего вещества.

При введении в асфальтовяжущее ве­щество песка закономерно снижается прочность системы, что в первую оче­редь связано с повышением неоднород­ности смеси и появлением в системе объемного битума. Влияние вязкости исходного битума на прочность уменьшается с ростом содержания в сис­теме песчаных частиц. Прослеживается четкая зависимость отношения битума к минеральному порошку (Б/П) от вязкости битума.

Макроструктура формируется щеб­нем, который рассматривается как основ­ной структурообразующий элемент ас­фальтобетонов. Макроструктура асфальто­бетона определяется количеств энным со­отношением, взаимным расположением, крупностью зерен щебня, связанных в мо­нолит асфальтовым раствором, а также характером процессов взаимодействия на границе раздела фаз: поверхность мине­рального материала — битум.

Структурообразующая роль щебня так же, как и песка, значительно отлича­ется от роли минерального порошка. Его основное назначение заключается в формировании пространственного карка­са, обеспечивающего прочность асфальто­бетона.

При незначительном содержании щеб­ня свойства асфальтобетона определяются свойствами асфальтового раствора, поскольку зерна щебня являются отдель­ными вкраплениями, "плавающими" в растворной части. Зерна щебня в этом случае разделены толстыми прослойками раствора и являются своего рода инерт­ным заполнителем. Размер, свойства по­верхности, форма зерен щебня не оказы­вают в этом случае существенного влия­ния на свойства асфальтобетона. Больше того, в некоторых случаях введение 10.. 20 % щебня может привести к сни­жению прочности асфальтобетона по сравнению с прочностью асфальтового раство­ра за счет снижения однородности систе­мы.

Дальнейший рост содержания щебня приводит к возникновению отдельных контактов между зернами через тонкие пленки ориентированного битума. Проч­ность битумных слоев настолько велика, что битум под нагрузкой практически не вытесняется. Однако если нагрузки при уплотнении весьма велики, го воз­можно разрушение зерен в зонах кон­такта от сосредоточенных контактных напряжений. При этом разрушается и би­тумная пленка, возникают прямые кон­такты по минеральным зернам. Порог формирования точечных контактов в ас­фальтобетоне наступает при содержании щебня более 45 %. При увеличении щебня до 60... 65 % в асфальтобетоне форми­руется пространственный каркас. Круп­ные минеральные зерна контактируют друг с другом непосредственно или че­рез настолько тонкие прослойки битума, что вяжущее я них приобретает свойства твердого тела. Межзерновые пустоты уп­ругого минерального каркаса заполнены асфальтовым раствором. Это норовая структура асфальтобетона.

Дальнейшее увеличение количества щебня приводит к формированию кон­тактной структуры, в которой объем пустот в щебеночном каркасе значительнопревышает объем асфальтового рас­твора, создает материал с большой по­ристостью и пониженной прочностью.

В асфальтобетоне наименьшей по­ристостью обладает микроструктура, наи­большей - макроструктура. Количество открытых пор и их размеры увеличиваются с размером минеральных зерен.

Взаимосвязь структур в асфальтобе­тоне. Получение асфальтобетона с задан­ной структурой и свойствами достигает­ся путем установления количественных соотношений между микро-, мезо- и мак­роструктурами. При этом необходимо помнить, что данной макроструктуре со­ответствуют только определенные мезо- и микроструктуры. Так, наиболее высокие показатели прочности асфальтобетона с базальной макрострук­турой (щебня < 35 %) достигаются при контактно-поровой мезоструктуре (песка> 40 %) и поровой микроструктуре (минерального порошка > 15 %). Наилучшие показатели асфальтобетона с поро­вой макроструктурой (щебня 50... 60%) достигаются при порово-базальной ме­зоструктуре (песка 30... 40 %) и ба­зальной микроструктуре (минерального порошка около 10 %), а с контактной макроструктурой (щебня > 65 %) при базальной мезоструктуре (песка < 30 %) и базальной микроструктуре (минераль­ного порошка < 5 %). Отношение биту­ма к минеральному порошку в асфаль­тобетоне с базальной макроструктурой должно быть в пределах 0,5... 0,6, с базально-поровой - 0,6... 0,9, с поровой и порово-контактной — 0,9... 1,1.

Существует закономерность, согласно которой тип структуры асфальтобетона определяется вязкостью битума. Концен­трация минерального порошка в битуме обратно пропорциональна вязкости пос­леднего. Отношение МП:Б для асфальто­бетона, приготовленного на битуме марки СГ 70/130, максимально и снижается по мере повышения вязкости битума. Такой переход связан с недостаточной насыщенностью жидких битумов асфальтенами, при этом зерна минерального порошка являются центрами структурообразования и способствуют упрочнению структуры и ее стабилизации. Переход жидких битумов в структурированное состояние сопровождается возникнове­нием коагуляционных контактов, а при значительном насыщении битума мине­ральным порошком — резким упрочнени­ем системы и формированием вторич­ной коагуляционной структуры.

Текстура. Она определяется размером и характером размещения структурных составляющих в поверхностном слое. Тек­стура определяет эксплуатационные свой­ства асфальтобетонного покрытия, ше­роховатость (сцепление колеса автомо­биля с покрытием), износостойкость, светоотражательную способность, шумность. По степенишероховатости асфальто­бетонные покрытия подразделяют на глад­кие (выступы до 0 ,1 мм), микрошероховатые (от 0,1 до 0 .5 мм) и макро шероховатые (от 0,5 до 15 мм). С увеличе­нием степени шероховатости покрытия возрастает коэффициент сцепления.

Светоотражательная способность асфальтобетонного покрытия возрастает с увеличением шероховатости Так, рефлек­торная способность покрытия с гладкой текстурой составляет 0,10 кд/м², а с макро шероховатой — 0,15 кд/м². Шеро­ховатая поверхность обеспечивает лучшее отражение света фар автомобиля, чем гладкая. С увеличением шероховатости покрытия возрастает шум от движения транспорта. _

Механизм сопротивления асфальтобе­тона транспортным нагрузкам. Напряже­ния, возникающие в асфальтобетонном покрытии, всецело зависят от транспорт­ных нагрузок и не зависят от вида его структуры. Различие заключается лишь в том, какие напряжения по виду и зна­чению возникают в покрытии и в мате­риалах, составляющих асфальтобетон.

В покрытии из уплотненной битумо-щебеночной смеси, напряжение от колеса транспортного средства переда­ется от зерна к зерну по площади кон­такта. Проявляются давление от тран­спорта, трение и зацепление между зер­нами. Прочность, устойчивость покрытия в этом случае зависит прежде всего от механических свойств зерен щебня, таких как прочность при сжатии и растяжении, износе и расколе. Битумная пленка на минеральных зернах служит вяжущим, обеспечивающим объединение отдельных зерен в монолит. В этом материале ме­ханические свойства битумной пленки играют подчиненную роль. Такой тип смесей обычно используют в основании, но иногда применяют и впокрытии (дре­нирующий асфальтобетон).

В покрытии из асфальтовой масти­ки, напряжение от колеса транс­портного средства полностью передается на асфальтовяжущее. Во избежание деформаций при положительных температурах в этом случае применяют высоко вязкий битум (глубина проникания при 25° С 20... 40°) и большое количество минерального порошка (30... 32 %). Известно, что минеральный порошок структурирует битум, тем самым повы­шает его температуростойкость.

Все дорожные покрытия из асфальтобетонных смесей по условиям восприя­тия нагрузки находятся между покрытия­ми из этих крайних представителей смесей. В одном случае преобладает механизм распределения напряжений на асфальто­вый раствор, при котором прочность щебня не является самой важной. В дру­гом случае при большом содержании щебня напряжения воспринимаются кар­касом из минеральных зерен. В этом слу­чае требования к механическим свой­ствам щебня должны быть весьма высо­кими.

В многощебенистых асфальтобетонах (зерен крупнее 5 мм более 50 % по мас­се) имеется скелет из зерен щебня. Зерна щебня контактируют друг с другом через тонкие прослойки битума. Межзерновые пустоты заполнены асфальтовым раствором. Остаточная по­ристость не превышает 5 %. Малощебе-нистый асфальтобетон (зерен крупнее 5 мм 20... 35 % по массе) имеет струк­туру асфальтового раствора с плавающи­ми зернами щебня. Зерна щебня в этом случае разделены толсты­ми прослойками раствора и являются своего рода инертным заполнителем: раз­мер, свойства поверхности, форма зерен щебня не оказывают в этом случае су­щественного влияния на свойства асфаль­тобетона. Среднещебнистый асфальтобетон (зерен крупнее 5 мм 35... 50 % по массе) занимает промежуточное положе­ние между двумя названными типами. Составы с 35... 40 % щебня по струк­туре и свойствам приближаются к мало­щебенистому асфальтобетону. Асфальтобетоны с содержанием щебня 40... 45 % имеют очаговую структуру; нет сплош­ного каркаса. Свойства асфальтобетонов определяются свойствами растворной час­ти и щебня. При содержании щебня 45... 50 % имеется почти полный кар­кас.

Таким образом, общее сравнение ти­повых составов асфальтобетонных сме­сей и объяснение механизма их сопротив­ления и распределения напряжений от колес транспортных средств позволяют анализировать поведение асфальтобетона в покрытии при эксплуатации и правиль­но рекомендовать ту или иную смесь для данных конкретных условий.

Дата добавления: 2014-01-07