Навигация:
Главная → Все категории → Экономия битума

Изменение свойств битума в асфальтобетоне


Изменение свойств битума в асфальтобетоне

В асфальтобетонном покрытии под влиянием движения автомобилей и окружающей среды происходит стабилизация структуры в результате необратимых процессов в битумных пленках и упрочнения связей на границе раздела минеральный материал — вяжущее. Структурно-механические свойства асфальтобетона повышаются, прочность системы возрастает, но через некоторое время на покрытии появляются деформации в виде трещин. Это значит, что стабилизация структуры переходит в новую фазу — деструкцию, которая в конечном итоге завершает жизненный цикл асфальтобетона. Процессы, происходящие на молекулярном уровне в битуме, приводят к макроскопическим изменениям в асфальтобетоне, выражающимся в повышении хрупкости, снижении пластичности и др.

На битум в асфальтобетоне действует тепло, солнечное облучение, кислород воздуха, озон, вода, бактерии и динамические нагрузки от автомобилей. Такие факторы, как тепловое и солнечное облучение, химическое и механическое воздействие, вызывает в молекулах битума разрыв химических связей, образование.свободных радикалов.

Устойчивость битумов к действию тепла и кислорода зависит от их строения и прежде всего от наличия легкоокисляющихся групп и связей в макромолекулах. Известно, что ненасыщенные соединения подвержены действию кислорода в большей степени, чем насыщенные.

По А. С. Колбановской, процессами, вызывающими необратимые изменения состава и свойств битумов, являются:
- испарение летучих составляющих, происходящее в поверхностном слое битума незначительной толщины и зависящее от содержания легколетучих компонентов, вязкости битума и температуры;
- оксиполимеризация компонентов битума, происходящая главным образом на внешней поверхности вяжущего, подвергающейся непосредственному действию света или ультрафиолетовых лучей;
- полиоксиконденсация, происходящая под влиянинем кислорода, является основным процессом, изменяющим состав и структуру битума при старении.

Существующие представления о старении битума основываются на работах о механизме окисления высокомолекулярных углеводородов нефти. Согласно теории Н. И. Семенова, окисление органических веществ протекает через промежуточное образование перекисей, легко вступающих в соединения. П. М. Эмануэль показал, что окисление углеводородов является цепным процессом, идущим по радикальному механизму.

Основное положение перекисном теории заключается в том, что при автоокислении кислород присоединяется к окисляемому веществу в виде целой молекулы, переходящей при этом из неактивного состояния в активное, которое характеризуется разрывом одной из связей. Первичным продуктом окисления являются неустойчивые перекиси, превращающиеся в стабильные продукты при дальнейшем развитии процесса. Накапливаясь в системе, эти перекиси одновременно распадаются. Такой распад ведет к возникновению дополнительных радикалов, являясь источником развития новых цепей.



Рис. 1. Жизненный цикл асфальтобетона


Старение битумов в асфальтобетоне идет по тому же механизму, как и в свободном битуме, хотя имеются и некоторые особенности, обусловленные присутствием минеральных материалов. Так И. А. Рыбьев считает, что введение в битум минеральных порошков повышает их погодоустойчивость. А. И. Лысихина отмечает, что известняк оказывает замедляющее воздействие на старение битумов. В то же время Барт считает, что при адсорбции на поверхности кварцевого или известнякового минерального наполнителя компоненты битума быстрее окисляются.

Б. Г. Печеный отмечает, что адсорбированные слои по сравнению со свободным битумом имеют одно важное преимущество: молекулы битума в адсорбированных слоях имеют гораздо меньшую подвижность, чем в свободном битуме, что, безусловно, снижает их реакционную способность. Естественно, различные минеральные наполнители в асфальтобетоне обладают различной адсорбционной способностью. Мерой адсорбционной способности поверхности минеральных наполнителей Б. Г. Печеным взята диэлектрическая проницаемость е, Которая обусловлена полярной природой вещества, характеризует полярность его молекул или структурных элементов и является важной характеристикой взаимодействия поверхностей. Измерение диэлектрической проницаемости минеральных наполнителей показало, что по мере уменьшения крупности зерен диэлектрическая проницаемость, полярность и адсорбционная способность поверхности наполнителя возрастают, причем в большей мере у минеральных материалов, имеющих более высокую е. Наиболее полярным оказался диабазовый порфирит, менее полярным мрамор. У железистого кварцевого песка полярность была значительно, ниже, а Вольский кварцевый песок оказался практически неполярным.

Испытания, выполненные на приборе Н. Эверса, показали, что старение битумопесчаных смесей с полярными материалами происходит менее интенсивно, чем с неполярными.

Исследования, выполненные Б. Г. Печеным, показали, что прочность при сжатии при 50 °С непереформованных образцов, взятых из покрытия на окисленном битуме марки БНД 90/130, после 5 лет его эксплуатации, увеличилась примерно в 4 раза по сравнению с исходной, а на остаточном битуме марки БНД 130/200 — в 2,7 раза. В 1,5 раза возросла прочность при 0 °С образцов асфальтобетона на окисленном битуме марки НД 90/130 и на 8% образцов асфальтобетона на остаточном битуме.

На рис. 6.1 представлены три стадии изменения свойств асфальтобетона во время эксплуатации покрытия (третий период). На первой стадии третьего периода при охлаждении аcфальтобетона происходит лавинное повышение прочности и

водостойкости. Вторая стадия этого периода характеризуется монотонным нарастанием прочности, связанным с воздействием двух факторов: повышение вязкости битума за счет необратимых изменений; упрочнение связей на границе раздела минеральная часть — вяжущее в результате полной стабилизации ориентированного слоя битума и возникновения новообразований в зоне контакта, В зависимости от условий окружающей среды, а также свойств минеральных материалов эти процессы могут проходить одновременно или возможно преобладание одного из них.

Третья стадия длится на протяжении всего срока службы покрытия и определяется дальнейшим изменением свойств битума в асфальтобетоне под воздействием атмосферных факторов, а также внутренней структуры минерального остова. На этой стадии вероятнее всего начинают возникать в битуме активные радикалы, но их еще мало по сравнению с числом молекул, на которые они воздействуют, цепной механизм реакций окисления еще не будет приводить к заметным разрушениям асфальтобетонного покрытия. Разрушения станут видимыми в начале четвертого периода (периода отказа), когда когезия битума, достигнув максимальной точки, начнет падать.

По исследованиям А... С. Колбановской, периоду полного отказа соответствует содержание асфальтенов в битуме 37-38%. Следовательно, продление срока службы асфальтобетонного покрытия можно достигнуть продлением индукционного периода цепных реакций, протекающих в битуме. Это достигается подбором минеральных материалов, замедляющих процессы окисления, и введением в битум ингибиторов. Так, в асфальтобетоне на минеральных компонентах из плотного известняка (щебень, высевки, порошок) вязкость битума за счет окисления увеличивается незначительно, поскольку реак-ционноспособные составляющие битума химически взаимодействуют с подложкой. материалы, содержащие в большом количестве кремнезем, не вступают в химическое взаимодействие с битумом, поэтому он будет более интенсивно изменяться под-влиянием атмосферных факторов.

Анализ состояния асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах во II и III дорожно-климатических зонах показал, что в 75-80% случаев трещинообразование является причиной отказа покрытия, после чего производится его капитальный ремонт. В связи с этим основным критерием отказа принято трещинообразование, причем отказ покрытия наступает в тот момент, когда расстояние между поперечными трещинами составляет 1,5 м. Обычно при таком расстоянии между поперечными трещинами уже свободно образуются продольные трещины и покрытие быстро разрешается. Считая, что зона влияния поперечной трещины составляет 1,5 м, растрескивание покрытия можно характеризовать площадью растрескивания, которая определяется длиной поперечных трещин на площади 1000 м2, умноженной на 1,5 м и отнесенной к 1000 м2 покрытия, и выражается в долях, процентах или в м2/1000 м2. Зная ширину покрытия, можно легко определить расстояние между поперечными трещинами.

В соответствии с изложенным, старение дорожного асфальтобетонного покрытия может быть представлено как процесс повышения его температуры хрупкости под действием погодно-климатических факторов и усталостного воздействия от транспортных нагрузок. Зная изменение температуры хрупкости асфальтобетона под действием указанных факторов, можно прогнозировать кинетику растрескивания в процессе эксплуатации.

Похожие статьи:
Переработка старого асфальтобетона в стационарных установках

Навигация:
Главная → Все категории → Экономия битума

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум