Зміна властивостей бітуму в асфальтобетоні
Зміна властивостей бітуму в асфальтобетоні
У асфальтобетонне покриття під впливом руху автомобілів і навколишнього середовища відбувається стабілізація структури в результаті незворотних процесів в бітумних плівках і зміцнення зв'язків на межі розділу мінеральний матеріал - в'яжучий. Структурно-механічні властивості асфальтобетону підвищуються, міцність системи зростає, але через деякий час на покритті з'являються деформації у вигляді тріщин. Це означає, що стабілізація структури переходить в нову фазу - деструкцію, яка в кінцевому підсумку завершує життєвий цикл асфальтобетону. Процеси, що відбуваються на молекулярному рівні в бітумі, призводять до макроскопічних змін в асфальтобетоні, зреалізований в підвищенні крихкості, зниженні пластичності і ін.
На бітум в асфальтобетоні діє тепло, сонячне опромінення, кисень повітря, озон, вода, бактерії і динамічні навантаження від автомобілів. Такі фактори, як теплове і сонячне опромінення, хімічний і механічний вплив, викликає в молекулах бітуму розрив хімічних зв'язків, образованіе.свободних радикалів.
Стійкість бітумів до дії тепла і кисню залежить від їх будови і перш за все від наявності легкоокисляющихся груп і зв'язків в макромолекулах. Відомо, що ненасичені сполуки схильні до дії кисню в більшій мірі, ніж насичені.
За А. С. Колбановской, процесами, що викликають незворотні зміни складу і властивостей бітумів, є:
- випаровування летючих складових, що відбувається в поверхневому шарі бітуму незначної товщини і залежне від змісту легколетких компонентів, в'язкості бітуму і температури;
- оксіполімерізація компонентів бітуму, що відбувається головним чином на зовнішній поверхні в'яжучого, що піддається безпосередньому впливу світла або ультрафіолетових променів;
- поліоксіконденсація, яка відбувається під вліянінем кисню, є основним процесом, що змінює склад і структуру бітуму при старінні.
Існуючі уявлення про старіння бітуму грунтуються на роботах про механізм окислення високомолекулярних вуглеводнів нафти. Відповідно до теорії Н. І. Семенова, окислення органічних речовин протікає через проміжне утворення перекисів, легко вступають в з'єднання. П. М. Емануель показав, що окислення вуглеводнів є ланцюговим процесом, що йде по радикальному механізму.
Основне положення перекисном теорії полягає в тому, що при автоокисления кисень приєднується до окисляемому речовини у вигляді цілої молекули, що переходить при цьому з неактивного стану в активне, яке характеризується розривом однієї з зв'язків. Первинним продуктом окислення є нестійкі перекису, що перетворюються в стабільні продукти при подальшому розвитку процесу. Накопичуючись в системі, ці перекису одночасно розпадаються. Такий розпад веде до виникнення додаткових радикалів, будучи джерелом розвитку нових ланцюгів.
Мал. 1. Життєвий цикл асфальтобетону
Старіння бітумів в асфальтобетоні йде за тим же механізмом, як і у вільному бітумі, хоча є і деякі особливості, обумовлені присутністю мінеральних матеріалів. Так І. А. Рибьев вважає, що введення в бітум мінеральних порошків підвищує їх Погодостійкість. А. І. Лисіхіна зазначає, що вапняк надає уповільнює вплив на старіння бітумів. У той же час Барт вважає, що при адсорбції на поверхні кварцового або вапнякового мінерального наповнювача компоненти бітуму швидше окислюються.
Б. Г. Печена зазначає, що адсорбовані шари в порівнянні з вільним бітумом мають одну важливу перевагу: молекули бітуму в адсорбованих шарах мають набагато меншу рухливість, ніж у вільному бітумі, що, безумовно, знижує їх реакційну здатність. Природно, різні мінеральні наповнювачі в асфальтобетоні володіють різною адсорбційною здатністю. Мірою адсорбційної здатності поверхні мінеральних наповнювачів Б. Г. печінки взята діелектрична проникність е, Яка обумовлена полярної природою речовини, характеризує полярність його молекул або структурних елементів і є важливою характеристикою взаємодії поверхонь. Вимірювання діелектричної проникності мінеральних наповнювачів показало, що в міру зменшення крупності зерен діелектрична проникність, полярність і адсорбційна здатність поверхні наповнювача зростають, причому в більшій мірі у мінеральних матеріалів, що мають більш високу е. Найбільш полярним виявився діабазовий порфірит, менш полярним мармур. У залозистого кварцового піску полярність була значно, нижче, а Вольський кварцовий пісок виявився практично неполярних.
Випробування, виконані на приладі Н. Еверса, показали, що старіння бітумопесчаних сумішей з полярними матеріалами відбувається менш інтенсивно, ніж з неполярними.
Дослідження, виконані Б. Г. печінки, показали, що міцність при стисненні при 50 ° С непереформованних зразків, узятих з покриття на окисленого бітуму марки БНД 90/130, після 5 років його експлуатації, збільшилася приблизно в 4 рази в порівнянні з вихідною, а на залишковому бітумі марки БНД 130/200 - в 2,7 рази. В 1,5 рази зросла міцність при 0 ° С зразків асфальтобетону на окисленого бітуму марки НД 90/130 і на 8% зразків асфальтобетону на залишковому бітумі.
На рис. 6.1 представлені три стадії зміни властивостей асфальтобетону під час експлуатації покриття (третій період). На першій стадії третього періоду при охолодженні аcфальтобетона відбувається лавинної підвищення міцності і
водостійкості. Друга стадія цього періоду характеризується монотонним наростанням міцності, пов'язаних з впливом двох факторів: підвищення в'язкості бітуму за рахунок необоротних змін; зміцнення зв'язків на межі розділу мінеральна частина - в'яжучий в результаті повної стабілізації орієнтованого шару бітуму і виникнення новоутворень в зоні контакту, Залежно від умов навколишнього середовища, а також властивостей мінеральних матеріалів ці процеси можуть проходити одночасно або можливо переважання одного з них.
Третя стадія триває протягом усього терміну служби покриття і визначається подальшим зміною властивостей бітуму в асфальтобетоні під впливом атмосферних факторів, а також внутрішньої структури мінерального кістяка. На цій стадії найімовірніше починають виникати в бітумі активні радикали, але їх ще мало в порівнянні з числом молекул, на які вони впливають, ланцюговий механізм реакцій окиснення ще не буде приводити до помітних руйнувань асфальтобетонного покриття. Руйнування стануть видимими на початку четвертого періоду (періоду відмови), коли когезия бітуму, досягнувши максимальної точки, почне падати.
Аналіз стану асфальтобетонних покриттів на автомобільних дорогах в II і III дорожньо-кліматичних зонах показав, що в 75-80% випадків утворення тріщин є причиною відмови покриття, після чого проводиться його капітальний ремонт. У зв'язку з цим основним критерієм відмови прийнято утворення тріщин, причому відмова покриття настає в той момент, коли відстань між поперечними тріщинами становить 1,5 м. Зазвичай при такій відстані між поперечними тріщинами вже вільно утворюються поздовжні тріщини і покриття швидко дозволяється. Вважаючи, що зона впливу поперечної тріщини складає 1,5 м, розтріскування покриття можна характеризувати площею розтріскування, яка визначається довжиною поперечних тріщин на площі 1000 м2, помноженої на 1,5 м і віднесеної до 1000 м 2 покриття, і виражається в частках, відсотках або в м2 / 1000 м2. Знаючи ширину покриття, можна легко визначити відстань між поперечними тріщинами.
Відповідно до викладеного, старіння дорожнього асфальтобетонного покриття може бути представлено як процес підвищення його температури крихкості під дією погодно-кліматичних факторів і втомного впливу від транспортних навантажень. Знаючи зміна температури крихкості асфальтобетону під дією зазначених факторів, можна прогнозувати кінетику розтріскування в процесі експлуатації.