Распределение битума в асфальтобетоне и его взаимодействие с минеральными материалами

 

Оптимальный процесс приготовления асфальтобетонной смеси рассчитан на равномерное распределение вяжущего и полное покрытие каждого минерального зерна пленкой битума.

Равномерное распределение битума в асфальтобетоне значительно влияет на прочность, устойчивость и долговечность покрытия.

При неполном покрытии минеральных зерен битумной пленкой (из-за недостатка битума в смеси) асфальтобетон интенсивно разрушается во влажной среде вследствие того, что вода проникает через открытые места на зернах под битумную пленку и вытесняет (отслаивает) ее с минеральной поверхности заполнителей.

Избыток битума также нежелателен: его неоптимальное количество ухудшает распределение вяжущего в объеме смеси за счет миграции части битума при уплотнении смеси из зон повышенного напряжения.

Поэтому важно знать поверхность минеральных компонентов смеси, которая должна покрываться битумной пленкой. Суммарная поверхность (SS) складывается из поверхностей минерального порошка (S_мп), песка (S_п) и щебня (S_щ):

SS = S_мп + S_п + S_щ (8.1)

Для практических целей удельную площадь поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси определяют расчетным методом, разработанным И.В.Королевым. По этому методу удельная площадь поверхности минеральной части асфальтобетонной смеси равна

(8.2)

где S_i – удельная площадь поверхности фракции i, м²/кг; Р_i – содержание фракций i, %, m – число фракций.

Удельная площадь поверхности фракции i

(8.3)

где К – коэффициент формы; d_ср – средний диаметр фракции i, м; r - средняя плотность материала, кг/ м³.

Для гравия и песка, зерна которых округлены, однако не имеют форму шара, принимается К = 8, для дробленого гравия К = 10, для щебня из гравия К = 12. Для угловатых зерен, но не достигших формы тетраэдра, К = 14. К этой группе относятся щебень из гранита, диорита, андезита, плотного известняка и др.

Расчеты показали, что удельная поверхность минеральной части асфальтобетона возрастает от типа А до типа Д почти в 3 раза. Так, для мелкозернистой смеси типа А удельная площадь поверхности составляет 29 м²/кг, а для песчаной типа Д – 79,28 м²/кг.

Распределение битума в асфальтобетоне взаимосвязано с удельной площадью поверхности минеральных зерен следующей зависимостью:

(8.4)

где d - толщина битумной пленки на минеральных зернах, мкм; a - переводной коэффициент; Б – количество битума, % массы минеральной части; S – удельная площадь поверхности зерен минерального материала, м²/кг; r_б – плотность битума.

Подставляя в формулу (8.4) значение S из формулы (8.3), получаем

(8.5)

Из полученной зависимости следует, что толщина пленки прямо пропорциональна количеству битума и величине зерен в смеси. Но для практических целей удобно определять толщину пленки битума не на зернах данного размера, а толщину битумной пленки для узких фракций зерен (m):

(8.6)

где d_m – толщина битумной пленки на частицах фракции m, мкм; S_m – удельная площадь поверхности фракции m, м²/кг; Р_m – содержание фракции m, часть от целого; r_б – плотность битума; Б – оптимальное количество битума в смеси, %; Р_i – содержание фракции i, часть от целого; S_i – удельная площадь поверхности фракции i, м²/кг; d_i – толщина битумной пленки на частицах фракции i, мкм.

По приведенной формуле определяют толщину битумной пленки на минеральных зернах в смеси оптимальной гранулометрии, при которой формируется асфальтобетон с наибольшей прочностью и плотностью.

Толщина битумной пленки на минеральных зернах взаимосвязана также с вязкостью бетона: от марки БНД 90/130 до БНД 200/300 толщина пленки на зернах уменьшается на 10 %.