Роль минерального порошка в структурообразовании асфальтобетона

Роль минерального порошка в структурообразовании асфальтобетона

Ввиду различных условий эксплуатации, климатических условий, продолжительности периода производства работ и т. п. для изготовления асфальтовых бетонов используют как вязкие, так и жидкие битумы и другие органические вяжущие.

Минеральный порошок в асфальтобетоне играет роль добавки, структурирующей битум и образующей с ним асфальтовое вяжущее вещество, которое во многом обусловливает плотность, прочность и теплоустойчивость асфальтобетона.

На долю минерального порошка приходится до 90−95% суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона [2, 1]. Основное назначение минерального порошка как наполнителя битума заключается в том, чтобы переводить объемный битум в пленочное состояние. В таком состоянии повышается вязкость и прочность битума. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая и выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне. Другое назначение минерального порошка — заполнение мелких пор между более крупными частицами. Таким образом, присутствие необходимого количества минерального вещества способствует повышению плотности минерального остова, а, следовательно, и повышению плотности асфальтобетона. В этом смысле недостаточное количество минерального вещества (порошка) связано с необходимостью увеличения количества битума для заполнения пор [3].

Особая роль минерального порошка в асфальтобетоне обусловила большое количество лабораторных и полевых исследований, посвященных этому компоненту. Еще до применения нефтяных битумов асфальтовые материалы использовались в виде смесей, состоящих из естественного битума и преимущественно порошкообразных минеральных материалов. Роль последних в качестве упрочняющей битум добавки особенно возросла в связи с широким применением нефтяных битумов.

Длительное время многие исследователи полагали, что назначение минерального порошка в асфальтобетоне сводится лишь к заполнению межзерновых пустот [4], т. е. к обеспечению надлежащей плотности. П. В. Сахаров впервые определил назначение минерального порошка как структурной составляющей, образующей совместно с битумом асфальтовяжущее вещество, которое, обволакивая более крупные минеральные составляющие асфальтобетона, соединяет их в монолит. Придавая большое значение роли минерального порошка в асфальтобетоне, П. В. Сахаров предложил именовать его «асфальтирующей добавкой» к битуму. Он же рекомендовал применять в качестве минерального порошка продукт измельчения естественных асфальтовых пород, так называемый асфальтовый порошок. Несмотря на высокое качество таких порошков и приготовляемых на их основе асфальтобетонных смесей, в настоящее время они почти не применяются. Это связано, прежде всего, с большой неоднородностью естественных асфальтовых пород.

Минеральный порошок, переводя битум из объемного в пленочное состояние, способствует тому, что битум, находясь в тонких прослойках и мелких порах, попадает в область влияния молекул поверхностного слоя минеральной частицы. В результате этого свойства битума менее изменяются под влиянием температуры, а теплоустойчивость асфальтовяжущего повышается. асфальтовый бетон минеральный битум Введенный в расплавленный битум минеральный порошок вызывает его физико-химические изменение, зависящие от свойств поверхности минерального порошка, состава и свойств битума, определяемых в значительной мере наличием в нем активных функциональных групп [5].

Под взаимодействием минеральных и органических вяжущих материалов следует понимать комплекс процессов, происходящих при длительном контакте этих материалов.

К ним относятся:

• — физическая адсорбция поверхностью минеральных частиц сам битума;
• — хемоадсорбционные процессы, протекающие на границе раздела битум минеральный материал;
• — избирательная диффузия компонентов битума в минеральный материал, вследствие которой могут существенно изменяться свойства адсорбированного битума:
• — изменение свойства минеральных материалов в результате их взаимодействия с битумом [6−7].

Приято считать, что наилучшее сцепление с битумом имеют основные породы, так как в вяжущем содержатся ПАВ преимущественно анионного типа (асфальтогеновые и нафтеновые кислоты). К этому выводу приходят почти все исследователи работавшие в этой области. При этом, чем сильнее выражены положительные заряды поверхности минерала, тем выше адгезия к ним органических вяжущих [8].

Однако существуют работы, в которых показано, что битум хорошо прилипает к заполнителям из вислых горных порох и плохо к заполнителям из основных парод [9−12]. Так А. И. Лысихина в роботе [12] приводит пример с кварцевым песком, который по содержанию кремнезема относился к кислым горным породам, но имеет хорошее сцепление с битумом.

При объединении минеральной части и битума на границе их раздела протекают сложные физико-химические взаимодействия, которые ведут к образованию в разной степени развитого адсорбционно-сольватиого слоя вокруг минеральных частиц, за которым следует свободный битум [5, 7].

И.М. Борщ показал, что в зависимости от свойств минеральных порошков образуются различные по составу и толщине адсорбиионно-сольватные оболочки. Известняковые порошки образуют более развитые слон, кварцевые — более уплотненные [13].

Это положения подтверждаются в работе Н. В. Горелышева [14]. По весовому количеству битума в смесях и удельной поверхности порошков было рассчитана толщина битумных слоев на минеральных зернах, асфальтовой система с известняком в точке максимальной прочности она равнялось 0.0816 микр. а для кварца 0.035 микр.

При обложении таких зерен в системе асфальтобетона в смесях с известняковыми порошками более вероятен контакт по оболочкам связанного битума, а с кварцевыми порошками — требуется более тесное сближение частиц, что не всегда возможно.

Л.А. Горедышева [15] предлагает следующую классификацию минеральных порошков:

• · Активные — с преимущественно положительно заряженной поверхностью частиц:
• · Инактивный — с преимущественно отрицательно заряженной и нейтральной поверхностью.

Рыбьев Т.Г. [16] классифицирует порошки не по активности, а по энергетической способности: минералы с преимущественно отрицательным зарядом поверхности и преимущественно положительным, а так же преимущественно нейтральной поверхностью.

Исследования [17] показали, что чем слабее выражены положительные заряды на поверхности частиц порошка, тем выше должна быть, его дисперсность для получения аналогичного структурирующего эффекта. При этом степень структурирования органического вяжущего будет зависеть от химика — минералогического состава и энергической активности минерального порошка, а также структуры его частиц.

Однако минеральный порошок должен обладать некоторой оптимальной адсорбционной способностью, которая обеспечивая достаточную связь с битумом, не повышала бы расход последнего. Соответственно этому должна быть оптимальной тонкость помола порошка, причем степень помола должна повышаться с понижением вязкости применяемого битума. В связи с этим появляются работы, посвященные методам оценки адгезии битума к поверхности минеральных зерен [18−19].

Оптимальной считается дисперсность порошков при которой их удельная поверхность равна 3000−4000 см²/кг.

При объединении битума с минеральным порошком происходят процессы взаимодействия, в результате которых битум, сортированный поверхностью зерен, образует тонкую оболочку [13, 20]. Ее плотность, адгезионные и когезионные свойства зависят как от свойств поверхности минеральной составляющей, т. е. химико-минералогического состава, пористости, микрорельефа поверхности тонкодисперсных частиц, так и от свойств битума.

Схема образования диффузной структурированной оболочки битума на минеральных зернах и взаимодействие оболочек, по Н. В. Михайлову, заключается в следующем: вокруг зерен минерального порошка битум образует диффузную структурированную оболочку, вязкость, плотность и прочность которой убывают по мере удаления от поверхности минерального зерна, а пластичность возрастает.

Увеличение вязкости в слое битума, контактирующем с подкладкой, отчасти может происходить вследствие поглощения каменным материалом некоторого количества масел из битума.

Когда зерна минерального порошка находятся друг от друга на расстоянии, превышающем сумму толщин структурированных оболочек. Связь между ними определяется свойствами исходного битума в объемном состоянии. В этом случае сила склеивания зерен мала и одинакова как в местах сближений их поверхностей, так и в пазухах между ними и равна когезии объемного битума.

Сближение зерен до соприкосновения структурированных оболочек соответствует началу упрочнения системы, которое интенсивно возрастает при дальнейшем сближении ни расстояние, меньшее суммы толщин оболочек. Площадь контактов структурированных оболочек возрастает, соприкосновение их происходит по все более плотным слоям, а вместе с тем растет и сила склеивания зерен.

В этом случае битумный клей прочнее в местах контактов, чем в местах заполнения пустот, так как в местах контактом он находится в виде тонкой структурированной прослойки, а и местах заполнения пустот в виде исходного, объемного битума, прочность которого значительно меньше, чем прочность тонкой оболочки.

Важным элементом взаимодействия битума с пористыми минеральными порошками, является избирательная фильтрация битума. Это явление было установлено в работах А. И. Рыбаьва [21], И. М. Борща и Я. С. Терлецкой [13], Н. В. Горелышева [22). На основе работ, проведенных в этой области, сорбционные процессы, происходящие при взаимодействии пористых адсорбентов с битумом, могут быть охарактеризованы следующим образом: асфальтены адсорбируются на поверхности минеральных частиц, смолы сорбируются в мелких порах, находящихся на поверхности частиц. Наименее поверхностно-активные и вместе с тем наименее вязкий компонент битума — масла могут проникать по капиллярам внутрь материала [23, 24].

Следовательно, в пористых материалах концентрируется значительное количество смол в поверхностных микропорах, а часть масел за счет избирательной диффузии проникает внутрь материала. Таким обрезом, при применении пористых материалов адсорбционные слое битума на поверхности частиц несколько обедняются смолами и маслами.

Исследование структуры битумов с помощью рентгеноструктурного анализа [25] показало, что одним из составных элементов органического вяжущего — асфальтенам, присуща слабо выраженная кристалличность. Эти кристаллоподобные образования окружены химически инертной масляной оболочкой, не дающей проявиться энергетической способности химически активных функциональных групп, входящих в состав смолисто-асфальтеновых комплексов. Так, масла в составе битума выполняют охранную функцию против его старения: процесс полимеризации битума «замораживается» с увеличением содержания масел [26−28]. Установлено [29,30], что в асфадьтенах. кроме реакционных функциональных групп, имеются стабильные радикалы, которые способны активно вступать в реакции лишь при отсутствии закрывающей и масляной оболочки.

Следовательно, наиболее химически активные компоненты битума находятся в смолисто-асфальтеновых образованиях, реакционная способности которых блокирована инертной маслиной оболочкой. В связи с этим адгезионная способность битума обычно не реализуется полностью при взаимодействии его с минеральными материалами. Используется лишь часть реакционно-химического потенциала асфальто-геновых кислот и их ангидридов [24], которые хорошо взаимодействуют с минеральными материалами, из основных горных пород и индифферентны по отношению с кремнеземсодержащими торным породам. Для интенсификации взаимодействия органического вяжущего с кремнезем содержащими материалами необходимо вскрыть потенциальные возможности энергетической активности органического вяжущего, заключенной в его смолисто-аефальтеновых комплексах.

Таким образом, можно предполагать, что взаимодействие битума с пористыми кремнезем содержащими минеральными материалами будет активным и завершиться формированием прочных и устойчивых связей на границе раздели фаз.

По мере развития исследований в области асфальтобетона все больше выявляется роль минерального порошки как микронаполнителя, оказывающего структурирующее влияние на битум [31].

При определенной концентрации минерального порошка резко уменьшается толщина битумных слоен ни поверхности минеральных частиц, что приводит к высокой степени структурировании битума, а следовательно, и к упрочнению контактов между зернами.

И.М. Борщ [5] в своих исследованиях показал, что при концентрации минерального порошка в асфальтвяжущем до 60% свойства смеси обусловливаются преимущественно свойствами битума, влияние же минерального порошка на механические свойства асфальтовяжушего незначительно. При последующем увеличении содержания порошка расстояние между отдельными зернами, окруженными адсорбционно-сольватными оболочками, уменьшается, и наступает момент соприкосновения зерен порошка по их адсорбционно-сольватным оболочкам. При этом реологические свойства системы будут зависеть от свойств этих оболочек в местах контакта и их количества. И. Борщ указывает, что при концентрации минерального порошка в асфальтвяжущем от 60 до 80% образуется пространственная структурная решетка с резким повышением механической прочности системы в 10−15 раз.

Минеральный порошок благодаря большой площади поверхности увеличивает количество контактов между минеральной частью и битумом, в связи с чем увеличивается сила сцепления, а отсюда и прочность асфальтового бетона [32].

Профессор В. А. Золотарев [26] предложил уравнение прочности асфальтобетона с учетом роли его структурообразующих компонентов, из которого следует, что прочность асфальтобетона не может быть больше прочности асфальт вяжущего оптимальной структуры. По его мнению, именно свойства асфальт вяжущего вещества вносят наибольший вклад в формирование физико-механических свойств асфальтобетона.

Из вышеизложенного следует, что минеральный порошок выполняет в асфальтобетоне три функции:

• 1. Он является тонкодисперсным наполнителем, заполняющим микропустоты между частицами щебня и песка, что повышает плотность минерального остова асфальтобетона.
• 2. В силу развитой удельной поверхности минеральный порошок образует асфальт вяжущее вещество и способствует формированию структурированной дисперсной системы.
• 3. Тонкодисперсные минеральные частицы наполнителя, взаимодействуя с органическим вяжущим, способствуют переводу объемного битума в тонкопленочное (структурированное) состояние, формируя тем самым микроструктуру асфальтобетона.

Таким образом, необходимо тщательно подходить к подбору минеральных порошков.

Нельзя отвергать наполнители без достаточного обоснования, так же как нельзя использовать наполнитель, получаемый из местных материалов и отходов, без тщательной проверки его свойств и состава в производственных условиях. Особенно важно правильно оценить его влияние на долговечность асфальтобетона, на технологические свойства асфальтобетонной массы и расход битума.