Повышение качества органических вяжущих

Практика применения органических вяжущих в дорожном строительстве свидетельствует о том, что в большинстве случаев
окисленные дорожные битумы не способны обеспечить требуемые
эксплуатационные свойства асфальтобетонных покрытий. Одним из наиболее эффективных путей обеспечения требуемых характеристик органических вяжущих и битумоминеральных материалов является применение модифицирующих добавок.

Наиболее эффективными являются полимерные адгезионные добавки, применение которых позволяет, с одной стороны, улучшить структурно реологические свойства и усталостную долговечность вяжущих, а с другой стороны повысить их адгезионные свойства,что в совокупности обеспечивает повышение водо- и морозостойкости асфальтобетона и его работоспособности в дорожном покрытии.Полимерные добавки позволяют снизить поверхностное натяжение
на границе раздела «битум — минеральный материал», улучшить смачивание и обволакивание битумом минеральной поверхности, повысить
прочность сформировавшейся битумной пленки на зернах минерального материала.
Структуру асфальтового бетона можно рассматривать как совокупность преобразованных структур битума и минерального остова. Преобразование структур исходных материалов происходит вследствие физико-химических процессов, происходящих между минеральными
зернами и битумом, причем в этих процессах участвует не только поверхность минеральных зерен, но и некоторый объем каждого зерна.
Установлено, что минеральные частицы на значительную глубину поглощают некоторые компоненты битума, например масла.
Наибольшие преобразования при объединении минеральных материалов с вяжущим происходят в структуре битума. Под структурой битума в асфальтобетоне понимают концентрацию асфальтенов,смол и масел, характер и взаиморасположение битумных агрегатов,представляющих собой комплексы асфальтенов и смол в маслах. Характер и взаиморасположение битумных агрегатов зависят от их расположения в слое битума, обволакивающего минеральные зерна. Чем ближе к твердой поверхности частицы, тем более структурированным становится битум, поэтому различают пленочный высокоструктурированный битум и свободный битум. Степень структурирования пленочного битума зависит от характера и свойств поверхности минеральных частиц, химико-минералогического состава этой поверхности.
Асфальтовый бетон относится к твердым телам, отличительной чертой которых является наличие собственной формы, определенного
объема и высокого сопротивления их изменению под воздействием внешних сил. В зависимости от температуры он может проявлять
себя в нескольких структурных состояниях:
• вязкопластичном, когда при повышенных температурах мине-
ральные зерна соединены текучими прослойками битумных пленок
и даже небольшие по величине напряжения приводят к деформированию материала;
• упругопластичном, когда минеральные частицы соединены
битумными пленками, которые при малых напряжениях разворачи-
ваются, а при снятии нагрузки возвращают свою первоначальную
конфигурацию. Наличие макромолекул полимеров в битумных пленках на минеральных зернах позволит перераспределить деформации,
возникающие при нагружении асфальтобетона, между битумными
агрегатами и макромолекулами и тем самым избежать возникновения
процесса незатухающей ползучести.
Подобно большинству строительных материалов интенсификации
процесса разрушения асфальтобетона способствует длительное или
периодическое увлажнение. В летний период года вода не оказывает
вредного воздействия на асфальтобетон в дорожном покрытии, так
как битум благодаря высокой температуре расширяется и заполняет все поры и пустоты, препятствуя прониканию воды в материал.
В переходные периоды года при температуре выше 0°C вода проникает в поры асфальтобетона, снижая его прочность. Вода и содержащиеся в ней соли проникают через дефектные места битумных
пленок к минеральным зернам и стремятся отделить битумный слой от минеральной поверхности.
Определяется водостойкость коэффициентом водостойкости(отношением предела прочности при сжатии при температуре 20 °C водонасыщенных образцов к пределу прочности сухих образцов при
указанной температуре).
Помимо разрушающего действия воды при ее замерзании в порах адсорбционные водные пленки оказывают расклинивающее
действие на битумные пленки при деформировании асфальтобетона, что усиливает разрушающий эффект. Наиболее разрушительное
действие оказывает происходящее весной и осенью попеременное
замораживание и оттаивание асфальтобетона,
Взаимодействие вяжущего и минеральных материалов является
главным фактором структурообразования в битумоминеральных
материалах. С физико-химическими показателями применяемого.
Вяжущего напрямую связаны важнейшие свойства асфальтобетона:
деформационная устойчивость в летний период и деформативная
способность в холодное время года, коррозионная устойчивость при
различных влажностных и температурных режимах, интенсивность
процессов старения.
Взаимодействие вяжущего и минеральных материалов проявляется
на различных уровнях структуры битумоминерального материала, что
наблюдается в хемосорбционных процессах, протекающих на границе раздела «Вяжущее – минеральный материал» с избирательной
диффузией компонентов вяжущего в поры минерального материала,
а также физической адсорбции минеральным материалом поверх-
ностного слоя вяжущего.
Механизм образования связей между битумом и минеральным порошком определяется рядом факторов, в числе которых химическое
взаимодействие между щелочными и кислотными компонентами битума и минерального материала, а также механическими связями,
зависящими от шероховатости и пористости поверхности частиц
минерального порошка. Химическими компонентами битума, обеспечивающими сцепление с минеральными материалами, являются
нафтеновые углеводороды, обладающие природной кислотностью.
В присутствии воды углеводородные молекулы поляризируются
и пленки битума на минеральных зернах приобретают отрицательный заряд, поэтому минеральный порошок, полученный дроблением
карбонатных пород, имеющих щелочной характер, взаимодействует
с анионами битума с образованием устойчивых адгезионных связей.
Минеральный порошок, полученный на основе кислых пород, например на основе оксида кремния, особенно в присутствии воды,
не образует устойчивых связей с битумом. Аналогичные процессы
протекают и при взаимодействии с щебнем, полученным из кислых пород.
Таким образом, если минеральный порошок получен на основе щелочных пород, то поверхность его частиц имеет битумофильный
характер. Частицы минерального порошка при этом адсорбируют легкую, мальтеновую часть битума, и в дальнейшем контакт между
минеральными частицами происходит по слою оболочки из асфальтено-смолистой части битума. Такие слои битумных пленок наиболее
стабильны в отношении возможных их изменений от температуры и обеспечивают прочиме структурные связи и асфальтобетоне,
Это может наблюдаться и при менее активной или битуморобной поверхности, но при наличии микропористой и микротрещинова-
той структур частин вследствие инфильтрации мальтеновой части битума в их поры. Наибольшая адсорбция мальтеновой части би-
тума происходит при размере пор минеральных частиц в пределах 300…500 А.
Недостаточныс адгезионные свойства вяжущего являются причиной низкой износостойкости асфальтобетона, что приводит к образованию выбоин, шелушению и быстрому износу покрытия; необходимой теплостойкостью и деформативными характеристиками во всем годовом диапазоне температур, который может достигать
100 °С и более, поскольку покрытие в жаркий летний период разогревается до 60… 70°С, а в зимнее время охлаждается до -30… -40 °С,
Недостаточная теплостойкость и деформативные характеристики вяжущего в асфальтобетоне приводят к образованию в летнее время
пластических деформаций: колей, волн, сдвигов.
Одним из важнейших факторов, влияющих на структуру и деформативно-прочностные характеристики асфальтобетона, явля-
ется строение битумной пленки на минеральном материале. В ней проф. И. В. Королев выделяет три зоны с характерной структурой
и физико-механическими свойствами твердообразную;
• структурированную;
• диффузную.
Твердообразная зона непосредственно граничит с поверхностью
минерального материала и представлена адсорбционным слоем. Минеральные частицы, покрытые пленкой вяжущего толщиной не более
1 мкм и соизмеримой с размером твердообразной зоны, не слипаются между собой, так как пленка не обладает клеящей способностью.
Структурированная зона состоит из упорядоченно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, вытянутых в цепочку
и ориентированных в направлении минеральной подложки.
Диффузная зона является переходной между ориентированным
слоем и объемным битумом, толщина которой в зависимости от тем-
пературы может изменяться от одного до нескольких микрометров.
Модификация битума пластифицирующими и высокомолекулярными добавками изменяет структуру ориентированного слоя битума. Наиболее значительные изменения происходят в структурированной
и диффузной зонах ориентированного слоя битума
Битумные пленки в модифицированном вяжущем отличаются
значительно большей толщиной из-за наличия высокомолекуляр-
ных частиц термоэластопласта или синтетического каучука, что
обеспечивает повышенные деформативно-прочностные свойства
асфальтобетона.