Процессы старения асфальтобетона, его долговечность

  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. Приложение 6

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, а ее 30% увеличение вызывает резкое снижение трещиностойкости материала в зимний период. Приложение 7

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. Приложение 8

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.[3]

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.