Методы повышения водо-и морозоустойчивости асфальтобетона

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет Кафедра строительства и эксплуатации автомобильных дорог Реферат Методы определения водоустойчивости и морозоустойчивости асфальтобетонов Выполнила: студентка гр. Д35.

Чижденко Л.С.

Проверил: Чугуенко С.А.

Харьков 2012.

СОДЕРЖАНИЕ Введение.

1. Описание структуры, влияние составляющих.

2. Влияние состава асфальтобетона на его водоустойчивость.

3. Влияние низких температур на разрушение асфальтобетона.

4. Способы повышение морозоустойчивости Выводы Список литературы ВВЕДЕНИЕ Асфальтобетон является наиболее распространенным материалом для устройства дорожных покрытий. Однако под воздействием возрастающих транспортных нагрузок и факторов окружающей среды срок службы асфальтобетонных покрытий недостаточно высок. В связи с этим основной целью проектирования составов асфальтобетона является создание оптимальной структуры с заранее заданными свойствами, которые позволили бы обеспечить требуемые характеристики и долговечность устраиваемого дорожного покрытия. Из-за недостаточной деформативности и морозостойкости асфальтобетона при низких температурах фактические сроки службы покрытий часто ниже нормативных. Чтобы увеличить срок службы таких покрытий, необходимо разработать комплексные технические методы.

1. ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ. ВЛИЯНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЩЕБЕНЬ Роль щебня в асфальтобетоне изменяется при переходе от малощебенистых к многощебенистым смесям: если в малощебенистых смесях щебень является главным образом «заполнителем», то в многощебенистых щебень играет роль активной макроструктурной составляющей.

Для асфальтобетонных смесей применяют щебень, получаемый дроблением массивных горных пород, валунного камня, крупного гравия и не распадающихся металлургических шлаков.

При выборе щебня для асфальтового бетона следует иметь в виду что поверхность щебня, полученного из известняка, доломита, базальта, диабаза, и т. п., характеризуется лучшей адгезией к битуму, чем поверхность щебня, полученного из кислых горных пород: гранита, андезита, диорита, порфира и др.

Устойчивость щебня, стабильность его гранулометрического состава при воздействии на него механических усилий в процессе уплотнения и эксплуатации в значительной степени зависят от формы его зерен. Наиболее приемлемой является угловатая тетраэдная форма зерен щебня. Содержание в щебне зерен лещадной или игловатой формы нормируется в зависимости от типа гранулометрического состава минеральной части асфальтобетона: при содержании в асфальтобетоне щебня более 50% содержание зерен указанно формы не должно превышать 15%, при содержании щебня 35−50% - 25%, при содержании менее 35% - 35%.

Наличие различных примесей и включений, снижающих однородность щебня, строго ограничивается; количество пылеватых и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических горных пород не должно превышать 1%, а в щебне из осадочных пород — 2%.

Важное значение имеет характер поверхности зерен щебня: гладкие, окатанные зерна характеризуются меньшей прочностью сцепления с вяжущим, а следовательно, приводят к снижению водои сдвигоустойчивости асфальтобетона. Поэтому количество дробленых зерен в щебне из гравия должно быть не менее 80−100% для асфальтобетона марки 1. Количество кремнистых частиц в щебне из гравия не должно превышать 25%.

Щебень для асфальтобетонных смесей должен быть морозостойким: однако вследствие того, что поверхность зерен имеет битумную пленку, а открытые поры закупорены битумом, это требование в отдельных случаях (в зависимости от климатических условий, конструкции дорожной одежды и др.) может быть снижено.

При использовании доменных отвальных шлаков для изготовления щебня, учитывая их неоднородность, качество шлаков определяют дополнительными характеристиками: они должны быть устойчивыми против распада и содержать не более 35% пористых зерен (с объемным весом менее 2,3%).

ГРАВИЙ Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют дробленый гравий, к которому предъявляются те же требования, что и к щебню из скальных горных пород.

При использовании фракционного гравия для приготовления битумо-гравийных смесей по типу асфальтобетона необходимо, чтобы гравийная смесь не содержала вредно влияющих на битум солей (хлористого натрия более 0,7−3,0%, сернокислых натрия или магния более 0,2−0,4%, углекислого натрия или кислого углекислого натрия более 0,1% и гипса более 1,5−3,0%). Остальные требования к гравию как макроструктурной составляющей те же, что и к щебню. Необходимо иметь в виду, что смеси типа асфальтобетона на гравии вследствие окатанности зерен более подвижны, а прочность бетона ниже на 10−15%.

ПЕСОК Для приготовления асфальтобетонных месей применяют как природные, так и искусственные пески (высевки). Природные пески применяют кварцевые, аркозовые и др. крупноили среднезернистые (Мк 3,5 — 2,4 и соответственно 2,5−1,9). В случаи применения местных мелкозернистых песков их зерновой состав улучшают добавлением к ним высевок.

Природные пески должны быть разнозернистые, чистые, с содержанием пылевато-глинистых частиц не более 3% по весу. Высевки получают дробление прочных и не затронутых выветриванием горных пород или кристаллических металлургических шлаков. Искусственные пески, плученные как отходы при дроблении затронутых выветриванием осадочных пород (прочностью менее 600 кг/см², а также загрязненных примесями песчано-глинистых частиц, малопригодны для приготовления асфальтобетонной смеси. Такие высевки требуют повышенного расхода вяжущего, снижают износостойкость и долговечность асфальтобетонного покрытия.

МИНЕРАЛЬНЫЙ ПОРОШОК Минеральный порошок выполняет роль активного наполнителя, образующегося в смеси с битумом асфальтовяжущее вещество, которое, обволакивая более крупные минеральные составляющие, соединяет их в монолит.

Физико-химическое взаимодействие битума с минеральным порошком приближенно определяют коэффициентом гидрофильности частиц порошка размером менее 1,25 мм. Более гидрофильные порошки имеют большее сродство с водой и характеризуются коэффициентом гидрофильности более 1, а менее гидрофильные — менее 1. Для асфальтобетонов не рекомендуется порошки с показателем коэффициента гидрофильности более 1.

Величина поверхности порошка, а также его смачиваемость водой определяется скоростью капиллярного водонасыщения, которая должна быть 0,75−3,0 мм/мин.

В ряде случаев в качестве минеральных порошков применяют местные материалы — порошкообразные отходы промышленности (пыль — унос цементных заводов, золы, дефекационные отходы сахарных заводов, тонкозернистую колошниковую пыль, доломитовую пыль — отход металлургических заводов и др.). Качество этих порошков различное, поэтому в каждом случае тщательно проверяют как свойства порошка, так и приготовленных смесей.

Вследствие того, что минеральные порошки имеют тонкозернистый состав, они обладают повышенной гигроскопичностью, что приводит к комкоемкости при длительном хранении на складах. Кроме того, обладая большой поверхностной энергией, они интенсивно реагируют с битумом, быстро изменяют его вязкость, что несколько затрудняет процессы перемешивания и в особенности уплотнения смесей. Значительно улучшаются свойства минеральных порошков после предварительной гидрофобизации, т. е. обработки небольшими дозами битума малой вязкости или другими гидрофобизирующими веществами с добавками поверхностно-активных веществ. Гидрофобизированные порошки при хранении не комкуются, в процессе транспортирования не распыляются, значительно улучшают перемешивание и уплотнение смесей; расход битума при приготовлении асфальтобетонных смесей уменьшается.

БИТУМЫ. Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют битумы нефтяные, сланцевые и природные. Выбор битума зависит от типа асфальтобетона, качества минеральных составляющих, условий строительства и эксплуатации дорожных покрытий и др.

ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И АКТИВАТОРЫ В тех случаях, когда при смешении асфальтобетонной смеси не может быть обеспечено достаточно прочное прилипание (адгезия) битума к поверхности минеральных зерен, вводят в небольшом количестве поверхностно активные вещества и активаторы. В случаи малой активности битума, загрязненной или влажной поверхности минеральных зерен, а также слабой смачиваемости их битумом возможна недостаточная адгезия битума к поверхности минеральных зерен. В этом случаи применяют активаторы. В качестве активаторов используют известь, цемент и сланцевую золу.

При применении минеральных материалов кислых пород вводят катион активные добавки или предварительно активируют поверхность зерен, добавляя активатор (известь, цемент); для улучшения адгезии минеральных материалов основных пород вводят анионактивные добавки. В случае применения малоактивных битумов и минеральных материалов в битум добавляют соответствующее поверхностно активное вещество, а для активации минеральных зерен добавляют активатор (двойные добавки).

Количество добавки зависит от свойств минеральных зерен и битума, а также от эффективности добавки. При введении добавки в битум расход ее составляет: катионоактивной 0,5−1,5%, анионоактивной 3−10% и дегтя 10 — 12 от веса битума, а при введении ее в минеральный материал расход добавок принимают: катионоактивной до 0,1%, анионоактивной до 0,6% и дегтя около 0,6 — 0,7% от веса минерального материала.

СТРУКТУРА АСФАЛЬТОБЕТОНА Структура асфальтобетона определяется количеством и качеством минеральных составляющих, их взаимным расположением и характером связей между ними.

Чем больше щебня в смеси, тем больше внутреннее трение, больше прочность и сдвигоустойчивость, а также шероховатость поверхности бетона. Песчаная составляющая бетона (зерна менее 5 мм) в смеси с минеральным порошками битумом образует асфальтовый раствор, структура которого (мезоструктура) по аналогии с макроструктурой зависит от количества и качества песка. Угловатые зерна песка увеличивают жесткость смесей, а окатанные обуславливают большую ее подвижность.

Смесь минерального порошка и битума образует асфальтовяжущее вещество, обладающее коагуляционной тиксотропной микроструктурой, которая в зависимости от температуры приобретает различное состояние: упруго-хрупкое при низкой температуре, упруго-пластичное при положительной и вязко-пластичное при дальнейшем повышении температуры.

Таким образом, для получения прочных, устойчивых против воздействия температуры и воды асфальтовых материалов при выборе минеральных составляющих следует учитывать активность поверхности и пористость минерального порошка, песка и щебня.

асфальтобетон морозоустойчивость деформативность покрытие.

2. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ЕГО ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬ Асфальтобетонные Покрытия при длительном увлажнении, вследствие ослабления структурных связей, могут разрушаться за счет выкрашивания минеральных зерен, что приводит к повышенному износу покрытий и образованию выбоин. Водоустойчивость бетона зависит от его плотности и устойчивости адгезионных связей. Вода, как полярная жидкость, хорошо смачивает гидрофильную поверхность минеральных зерен и способна частично или полностью вытеснить сорбированный битум. Характер вытеснения пленки битума зависит от активности и вязкости битума, состояния микроструктуры асфальто — вяжущего и свойств поверхности минеральных зерен. Кроме того, вода может вымывать из вяжущего материала растворимые соединения, а при наличии некоторых солей образовывать эмульсии, которые легко вымываются водой.

При применении щебня из известняков, доломитов и металлургических шлаков и, в частности с микропористой текстурой водоустойчивость повышается. Применение недостаточно просушенных минеральных материалов снижает водоустойчивость бетона.

Водоустойчивость определяется величиной набухания и коэффициентом водоустойчивости К_в (отношение прочности водонасыщенных образцов к прочности сухих образцов).

Повысить водоустойчивость можно выбором материалов надлежащего качества, просушкой минеральных материалов, применение поверхностно активных добавок и активаторов и хорошим уплотнением смесей. Несколько повышается водоустойчивость обработкой поверхности уплотняемой смеси минеральным порошком перед последними проходами катка.

3. ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА РАЗРУШЕНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА В результате эксплуатации асфальтобетонные покрытия подвергаются весьма серьезным внешним воздействиям: силовому воздействию нагрузок от колес автомобилей, атмосферным осадкам в виде дождя и снега, а также температурным изменениям, протекающим во времени, замораживанию и оттаиванию и др.

Поэтому вопросам строительства и ремонта асфальтобетонных покрытий во всем мире уделяется огромное внимание.

Основными причинами, вызывающими поверхностные разрушения асфальтобетонного покрытия, являются:

— недостаточное уплотнение (коэффициент уплотнения ниже нормы по СНиП 3.06.03−85);

— использование некачественных исходных материалов;

— недоброкачественное приготовление асфальтобетонной смеси (плохое перемешивание в смесителе) с последующим проявлением пятен битума, выступающих на поверхности покрытия;

— передозировка битума, вызывающая повышенную жирность асфальтобетонной смеси.

В соответствии с критерием Бейли для оценки трещиностойкости асфальтобетона необходимо знать совокупность величин растягивающих напряжений в покрытии и время их действия. Принято, что растягивающие напряжения в асфальтобетонном покрытии возникают в результате действия транспортных нагрузок, от понижения температуры асфальтобетона, от температурного сокращения смежных плит более жесткого блочного основания, от коробления плит основания за счет градиента температуры по их толщине и от неравномерных просадок и вспучиваний основания.

Также известен подход Б. И. Ладыгина, получившего выражение для определения долговечности (срока службы) асфальтобетона по трещиностойкости Т в годах с учетом того, что в момент образования трещин величина вязкости асфальтобетона достигает вершины допускаемой вязкости по условиям трещиностойкости:

где [n] - предельное значение вязкости трещиностойкого асфальтобетона при расчетной низкой температуре;

n_н — начальная вязкость асфальтобетона при той же температуре (вязкость в момент укладки);

n_c — коэффициент старения асфальтобетона, выражает годовую интенсивность роста значения логарифма вязкости;

1,1 — коэффициент приведения начальной вязкости к условно начальной, соответствующей линейному изменению логарифма вязкости во времени.

Анализ большого количества научных публикаций и нормативной литературы позволяет сделать вывод о том, что существует множество подходов к оценке трещиностойкости дорожных покрытий. Однако влияние транспортной нагрузки, колебания температур, особенностей конструкции дорожной одежды в той или иной степени учитывается в показателе трещиностойкости, либо в комплексе учитывается влияние одновременно нескольких факторов.

По данным Хааса, только для расчета температурных усадочных трещин в США прогнозируют кретическую температуру образования трещин в асфальтобетонном покрытии исходя из вычисленных и измеренных значений жесткости асфальтобетона и моделируемых условий охлаждения и сопротивления асфальтобетона линейной усадке в натурных условиях. Вероятность образования трещин в этом методе оценивается сопоставлением расчетной температуры трещинообразования асфальтобетона с предполагаемой минимальной температурой покрытия в заданном регионе.

4. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ Долговечность асфальтобетонных покрытий существенно зависит от качества составляющих, принятых для приготовления асфальтобетонной смеси. Воздействие отрицательных температур на водонасыщенное асфальтобетонное покрытие, одновременно с динамическими механическими нагрузками переменной интенсивности, приводит к возникновению и накоплению остаточных деформаций в дорожных покрытиях и их преждевременному разрушению. Известно, что вязкость применяемого битума, генезис минеральных материалов, степень предварительного увлажнения и величина отрицательной температуры, а также скорость изменения температуры, оказывают существенное влияние на морозоустойчивость асфальтобетонных покрытий.

Для исследования влияния природы минеральных порошков на морозоустойчивость асфальтовяжущего, как микроструктурной составляющей асфальтобетона, были приняты гранитный и известняковый порошки. Результаты исследования морозоустойчивости показывают (табл. 1), что после 42 циклов переменного замораживания и оттаивания коэффициент морозоустойчивости асфальтовяжущего из гранитного минерального порошка на 39% ниже, по сравнению с величиной этого показателя для асфальтовяжущего на основе известнякового порошка. Учитывая одинаковую дисперсность зерен порошков можно отметить меньшую чувствительность асфальтовяжущего на основе известнякового порошка к агрессивному воздействию воды и температуры, по сравнению с асфальтовяжущим на гранитном порошке.

Полученные результаты показывают, что на стадии выбора минеральных порошков для производства асфальтобетонных смесей предпочтение следует отдавать порошкам из известняков. Это позволит обеспечить повышенную морозоустойчивость асфальтобетонных покрытий, особенно по сравнению с асфальтобетонными покрытиями, содержащими минеральную часть исключительно из гранитных каменных материалов.

Таблица 1.

Значения коэффициентов морозоустойчивости асфальтовяжущих.

Выпускаемые в настоящее время битумы не удовлетворяют в должной мере требованиям, обеспечивающим долговечную работу асфальтобетонного покрытия.

Одним из способов повышения устойчивости асфальтобетона к воздействию тяжелых транспортных нагрузок и экстремальных температур является модифицирование битумов путем введения полимерных добавок.

В содружестве с немецкими специалистами, проведя анализ свойств поставляемого нам битума, был подобран соответствующий по химическому составу «полимер», который при введении в асфальтобетонную смесь позволил получить улучшение ее свойств.

Была проведена работа по сравнительному анализу испытаний физико-механических свойств обычной асфальтобетонной смеси с «полимером».

Испытания проводились в нескольких независимых лабораториях. В результате анализа этих испытаний можно сделать выводы: у смеси с «полимером».

— немного увеличивалась средняя плотность;

— увеличивались прочностные характеристики при положительных температурах и соответственно уменьшились при (0°С);

— увеличились показатели водостойкости, и что особенно важно при длительном водонасыщении;

— наблюдается улучшение сдвигоустойчивости и трещиностойкости.

Улучшение этих показателей позволяет прогнозировать увеличение сроков службы асфальтобетонного покрытия с «полимером».

ВЫВОДЫ Современные направления в области проектирования асфальтобетона основываются на повышении точности прогнозирования долговечности материалов в дорожных покрытиях в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Комплексный подход к оценке эксплуатационных показателей, в том числе сдвигоустойчивости и трещиностойкости покрытий, учитывающий влияние температурно-временных условий нагружений на напряженно-деформированное состояние асфальтобетона позволит проектировать наиболее оптимальные дорожные покрытия и составы асфальтобетона.

1. В. А. Золотарев, А. В. Космин Испытания дорожно-строительных материалов, Харьков ХНАДУ 2011.

2. И. В. Грушко Дорожно-строительные материалы Москва «Транспорт"1991.

3. М. И. Волков Методы испытания строительных материалов Москва «Стройиздат».

4. Волков М. И., Борщ И. М., Грушко И. М., Королев И. В. Дорожно-строительные материалы. — М.: Транспорт, 1965. — 528с.