К битумно-минеральным материалам относятся искусственные
строительные конгломераты, где в качестве вяжущего используются
нефтяные дорожные битумы (как самостоятельно, так и в составе
композиции с различными материалами).Наиболее распространенным битумоминеральным материалом является асфальтовый бетон. Он представляет собой композиционный строительный материал, получаемый после уплотнения рационально
подобранной смеси, состоящей из асфальговяжущего вещества (битум
вместе с минеральным порошком), крупного заполнителя (шебня,
гравия) или без него, наполнителя (песка) и различных улучшающих
добавок или без них. При отсутствии в асфальтобетонной смеси щебня или гравия уплотненный битумоминеральный материал на
зывается песчаным асфальтобетоном.
По характеру технологий и применяемых исходных материалов,
оборудования, физико-механическим свойствам получаемые разновидности битумно-минеральных материалов могут значительно отличаться друг от друга. При этом они продолжают оставаться подобными друг другу, так как характеризуются действием обших
закономерностей при приготовлении, твердении и получаемой структуре материала.
Структуру асфальтобетона целесообразно рассматривать как трех-
компонентную систему, состоящую из микроструктуры (асфальтовя-
жущее вещество), мезоструктуры (асфальтовый раствор, состоящий
из песка и асфальтовяжущего вещества) и макроструктуры (шебень
и асфальтовый раствор). Разделение структуры асфальтобетона
на отдельные компоненты позволяет более точно объяснить влияние
отдельных элементарных структур на свойства асфальтобетона и их
роль в обеспечении его качества.
Устойчивая связь между структурой и свойствами асфальтобе-
тона отмечается в работах академика П.А. Ребиндера и его школы,
в которых этот материал относится к системам с коагуляционной
структурой и ярко выраженными вязкопластическими свойствами.
Н. В. Михайлов и Л. Б. Гезенцвей считают, что взаимодействие между
частицами обеспечивается битумными пленками, адсорбированными на поверхности минерального материала, и свободным битумом,
находящимся в асфальтобетоне в неструктурированном состоянии
Под структурой асфальтового бетона следует понимать характер
связей и взаимное расположение минеральных частиц разной гра-
нулометри, соединенных тонкими пленками покрывающего их
битума, а также степень заполнения битумом промежутков между
минеральными зернами.
Преобразование структуры исходных материалов происходит
вследствие физико-химических процессов в пограничной зоне между
минеральным зернами и битумом.
Основной проблемой технологии приготовления качественного
асфальтобетона является формирование тонкой битумной пленки
на поверхности минеральных материалов, которая регулирует вну-
тренние связи в асфальтобетоне и придает ему различные свойства
Наибольшие преобразования при объединении минеральных мате-
риалов с вяжущим происходят в структуре битума.
Различают высокоструктурированный битум, который тонкой
пленкой обволакивает минеральные частицы, и свободный битум,
заполняющий межзерновое пространство. Степень структурирова-
ния пленочного битума зависит от характера и свойств поверхности
минеральных частиц и от их химико-минералогического состава
Сложная и слоистая структура тонкого слоя битума на поверхности
минерального зерна обеспечивается благодаря силам межмолекуляр-
ного взаимодействия между битумом и камнем. Эти силы расслаи-
вают битум по молекулярной плотности на асфальтены и мальтены.
Асфальтены как более тяжелая фракция битума адсорбируются
на поверхности минерального зерна, образуя твердоподобную зону,
прочность которой больше прочности свободного битума.
Прочность, плотность и вязкость битума в тонких слоях на мине-
рамых зернах постепенно убывают по мере удаления от поверхности
зерна. Физическое состояние асфальтобетона зависит от температуры
окружающей среды и продолжительности действия на него внешних
сна. В зависимости от температуры он может быть в вязкопластичном
и упругопластичном структурном состоянии.
Ипенсификации процесса разрушения асфальтобетона способ-
ствуют характер и продолжительность увлажнения. Водостойкость
асфальтобетона зависит от его плотности и устойчивости связей
битума с минеральными материалами. Для предупреждения не
гативного воздействия воды необходимо повысить водонепрони
аемость битумных пленок. При наличии тонких битумных пленок
и высокой лепией температуры происходит быстрое старение биома
и разрушение асфальтобетона. Повысить корро шоую стойкость
асфальтобетона можно добавками поверхносно активных веществ
улучшающих сцепление битумных пленок с минеральной поверх
ностью. Устойчивость к увлажнению определен коэффициентом
водостойкости (отношением предела прочности при сжатии при температуре 20°С водонасыщенных образцов к пределу прочности
сухих образцов при указанной температуре).
В осенне-зимний период вода, находящаяся в порах асфальтобето-
на, в результате попеременного замораживания и оттаивания механи-
чески разрушает асфальтобетон.
Чем выше пористость асфальтобетона,
тем он в большей степени подвержен разрушению. Морозостойкость
асфальтобетона оценивается по изменению показателя прочности при
сжатии и растяжении после определенного количества циклов заморажавания и оттаивания водонасыщенных образцов. Напряжения, возникающие при замерзании воды, легко разрушают физические связи, при этом лишь незначительно воздействуя на химические связи. Износ асфальтобетона в дорожном покрытии происходит под
действием сил трения при проскальзывании колес автомобиля по поверхности покрытия. Износостойкость асфальтобетона определяется
плотностью, твердостью минеральных материалов, сцеплением зерен
минеральных частиц с битумом. Асфальтобетоны, содержащие твер-
дый заполнитель (гранитный щебень), более износоустойчивые, чем
на основе более мягких заполнителей, например на известняковом
щебне. Износ асфальтобетонного покрытия при интенсивном автомобильном движении достигает 1 мм в год.
Взаимодействие вяжущего и минеральных материалов проявляется
в хемосорбционных процессах, протекающих на границе их раздела.
При этом происходит избирательная диффузия компонентов вяжу-
шего в поры минерального материала, а также физическая адсорбция
поверхностного слоя вяжущего минеральным материалом.
Механизм образования связей между битумом и минеральным
порошком определяется химическим взаимодействием между ще-
лочными и кислотными компонентами битума и минерального
материала, а также механическими связями, зависящими от шероховатости и пористости поверхности частиц минерального порошка.
Минеральный порошок из карбонатных пород, имеющих щелочной
характер, хорошо взаимодействует с анионами битума с образованием
устойчивых адгезионных связей. Минеральный порошок, полученный
на основе кислых пород, не формирует устойчивых связей с битумом.
Аналогичные процессы протекают и при взаимодействии с щебнем,
полученным из кислых пород (гранит и др.).Износостойкость асфальтобетона зависит в основном от адгезион-
ных свойств битумов к минеральным материалам и устойчивости этих
свойств во времени. Адгезионные свойства битумов – одно из важнейших условий, обеспечивающих прочное и устойчивое сцепление
битума с минеральными материалами. Это является необходимым
условием для получения долговечных и водоустойчивых асфальто-
бетонов. Состав и физико-химические свойства битума практически
полностью определяют водо- и морозостойкость асфальтобетона
Важнейшее значение имеют его адгезионные свойства по отно-
пшению к минеральным материалам. Функи битума как органического вяжущего материала заключаются в формировании в смеси
с минеральными материалами прочной монолитной структуры. Не
достаточные адгезионные свойства вяжущего являются причиной об-
разования выбоин, шелушения и быстрого износа покрытия. Поэтому
они должны обладать необходимыми теплостойкостью и деформа-
тивными характеристиками во всем годовом диапазоне температур,
поскольку покрытие в жаркий летний период разогревается до 70 °C, а в зимнее время охлаждается до -40 °C.
Недостаточные теплостойкость и деформативные характеристики
вяжущего в асфальтобетоне приводят к образованию в летнее время
пластических деформаций (колей, волн, сдвигов), а в зимнее — к возникновению трещин.
Для повышения качества битумов в них необходимо вводить мо-
дифицирующие добавки, позволяющие:
• повысить температуру хрупкости вяжущего, которая обеспечива-
ет эластичность битумной пленки при отрицательной температуре;
• увеличить растяжимость вяжущего, которая обеспечивает необ-
ходимую работоспособность при эксплуатации в зимних условиях;
• повысить теплостойкость вяжущего, которая обеспечивает сдви-
гоустойчивость асфальтобетонного покрытия;
• улучшить адгезионные свойства, особенно к минеральным
материалам кислых пород, которые обеспечивают длительную водо-
стойкость асфальтобетона;
• сохранить стабильность свойств вяжущего во времени для длительной эксплуатации асфальтобетона или другого битумоминерального материала в покрытии.
Применяемые в настоящее время традиционные технологии по-
лучения окисленных битумов на нефтеперерабатывающих заводах
России не позволяют осуществлять их массовое производство с необходимыми качественными характеристиками. Поэтому основным
направлением получения высококачественных вяжущих является
модификация нефтяных битумов, которая позволяет обеспечить по-
вышение сдвигоустойчивости, трещиностойкости и износостойкости
битумоминеральных материалов.