Процессы старения асфальтобетона, его долговечность

          Вязкие битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий. Основное количество таких битумов вырабатывается в России в соответсвии с ГОСТ 22245-90.

Жидкие битумы предназначены для  удлинения сезона дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955-82 их получают смешением вязких битумов БНД  с дистиллятными фракциями — разжижителями. После укладки покрытия разжижитель постепенно испаряется.

 

 Растворимость

В основе большинства существующих методов анализа битумов лежит  различие в растворимости их компонентов  в ряде органических растворителей. Впервые деление, основанное на этом принципе, предложил Ричардсон, раз­деливший битумы на растворимые в бензине мальтены и нерастворимые в этом растворителе асфальтены. Впоследствии Маркуон с помощью адсорбции на фуллеровой земле разделил мальтены на масла и смолы. В основном эта методика сохранилась и до настоящего времени, но появилось большое количество ее разновидностей, позволяющих получить более узкие, но менее представительные фракции.

 

 

 

2.4.2.Применение и требования к качеству

 

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т.д. Кровельные битумы применяют для производства кровельных материалов. Их разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя). Изоляционные битумы используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии.

Главным же потребителем битума является дорожное строительство (около 90 %), в  первую очередь, из-за того, что нефтяной битум является самым дешевым  и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий. Использование битумов в дорожном строительстве позволяет покрытию дорог выдерживать повышенные статические  и динамические нагрузки в широком  интервале температур при сохранении длительной жизнеспособности и погодоустойчивости.

Вязкие битумы, применяемые в  дорожном покрытии, используются как  вяжущее между каменными материалами. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применённого битума и его качества. При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро-, средне- и медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы.

2.4.3. Основные физические и химические свойства, состав и строение

 

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим  веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70 - 80%, водорода 10 - 15%, серы 2 - 9%, кислорода 1 - 5%, азота 0 - 2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С9Н20 до С30Н62. Все многообразные  соединения, образующие битум, можно  свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды и их производные с  молекулярной массой 1000—5000, плотностью более 1, объединенные общим названием  асфальтены. В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl4, и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета  с молекулярной массой 500—1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят  из различных углеводородов с  молекулярной массой 100—500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18—20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к маслам.

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы  содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых битумов  в рабочее состояние: 1) нагревание до 140—170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах;

2) растворение битума в органическом  растворителе (зеленое нефтяное  масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.);

3) эмульгирование и получение  битумных эмульсий и паст.

 

 Свойства битумов

 

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ  и материалов, изготовляемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости  от группового состава колеблется в  пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ  и составляет 0,5—0,6 Вт/(м•°С); теплоемкость — 1,8—1,97 кДж/кг•°С. Коэффициент объемного  теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5•10-4 до 8•10-4°С1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах — около 2•104°С-1. Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230—240°С — в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием  водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2—0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20—25°С составляет 25—35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са3+ и Ме+2.

Старение — процесс медленного изменения состава и свойств  битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха  вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых  веществ и масел.

Реология (от греч. rheos — течение, поток), наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластических материалов (неньютоновских жидкостей, дисперсных систем и др.), а также явления релаксации напряжений, упругого последействия и т.д.

           Реология битумов изучена недостаточно. Основными показателями, определяемыми при исследовании реологических свойств битумов в диапазоне температур приготовления и укладки смеси, а также эксплуатации покрытия, являются вязкость и деформативные характеристики битума (модуль упругости, модуль деформациии др.). Поведение битума под действием внешних деформирующих сил определяется комплексом механических свойств, к которым относятся вязкость, упругость, пластичность, хрупкость, усталость, ползучесть, прочность. Каждое свойство зависит от температуры и характера напряженного состояния и связанно с межмолекулярными взаимодействиями и наличием структуры. Реологические свойства не должны значительно изменяться при нагреве битума в битумных котлах, приготовлении и укладке смеси и в течение длительного времени службы. По реологическим свойствам битумы делятся на три типа:

              1) вещества, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона, когда напряжение снимают, наступает состояние неэластичной упругости. Сюда можно отнести вязкие неколлоидные жидкости, неэластичные или слабоэластичные золи.

2) Вещества, у которых при постоянном  напряжении сдвига скорость сдвига после начала деформации снижается и через некоторое время становится почти постоянной, когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавливается, коллоидное состояние битумов этого типа золь-гель.

3) При постоянном напряжении  сдвига в начале деформации  скорость течения снижается до минимума, а затем повышается, если приложенное напряжение сдвига больше некоторого определенного значения, после того как напряжение снято, упругость восстанавливается, битумы этого типа имеют структуру геля.

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мощанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. 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.[3]

  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.