Взаимодействие битума с минеральными компонентами

Взаимодействие битума с минеральными частицами в асфальтобетоне включает следующие два основных процесса: физический и химический (хемосорбционный).

Физическое взаимодействие битума с минеральными материалами обусловлено способностью вяжущего адсорбироваться на поверхности минеральных зерен и фильтроваться внутрь их.

Адсорбируясь на поверхность пористых минеральных материалов, образуются слои повышенной концентрации высокомолекулярных компонентов битума (смол и асфальтенов), поскольку внутрь зерен по капиллярам фильтруются только легкие масла битума. Таким образом, поверхностный слой битума на таких зернах обогащен асфальтено-смолистой частью. Вследствие этого битумные пленки становятся более жесткими и менее эластичными, что ускоряет переход асфальтобетона в хрупко-жесткое состояние, способствующее снижению морозостойкости и образованию трещин на покрытии.

Химическое взаимодействие битума с минеральными компонентами

Этот процесс характерен при контактном взаимодействии минеральных материалов из карбонатных горных пород (у которых поверхностный заряд «+») с битумами, содержащими анионактивные ПАВ (асфальтогеновые, нафтеновые кислоты и т.п.), имеющими отрицательный электрический заряд. Такие контакты приводят к образованию на границе раздела фаз новых прочных химических соединений, способствующих образованию устойчивых хемосорбционных адгезионных контактов.

Между известняком и битумом, содержащим, например, асфальтогеновые кислоты, происходит реакция с образованием кальциевых мыл:

,

здесь RCОО - асфальтогеновая кислота; Са(RCОО)₂ – кальциевое мыло, которое нерастворимо в воде.

В этом случае битумные пленки, образованные на поверхности минеральных частиц, становятся полностью гидрофобными.

При объединении битума с кислыми минеральными материалами, богатыми кремнеземом (SiO₂), частицы которого имеют на поверхности отрицательный электрический заряд, хемосорбционные адгезионно-устойчивые соединения не образуются. В этом случае прочность сцепления битумной пленки и поверхности кислых материалов пониженная, особенно в присутствии воды, так как адгезионный контакт обусловлен слабыми силами только физической адсорбции.

В таком случае для усиления адгезии битума к кислым минеральным материалам (гранитный щебень, кварцевые пески) вводят катионактивные ПАВ. Только тогда возможно образование прочных химических соединений.

Устойчивая структура асфальтобетона определяется энергетическими связями на поверхности раздела его твердых и жидких компонентов. Связи между компонентами в асфальтобетонах (по П.А.Ребиндеру) классифицируются по типу образующихся структур: коагуляционной, конденсационной и кристаллизационной.

При положительных температурах для пластичных асфальтобетонов наиболее типична коагуляционная структура; для жестких – конденсационная, а в области достаточно низких отрицательных температур почти для всех асфальтобетонов характерна кристаллизационная или конденсационно-кристаллизационная структура. Основным признаком таких структур является реологическое состояние асфальтовяжущего вещества в контактном слое между заполнителями асфальтобетона.

В заключение можно отметить, что выявление структурных особенностей асфальтобетона имеет большое практическое значение: обладая эффективным методом регулирования структуры, можно существенно улучшать свойства этого материала. Причем, особое значение это приобретает при использовании некондиционных компонентов в асфальтобетоне.

 

Свойства асфальтобетона

Общие положения

 

Свойства асфальтобетонных смесей (АБС) и асфальтобетона (АБ) подразделяются на три основные группы:

- технологические;

- физико-химические;

- эксплуатационные.

Такая общая классификация свойств АБС и АБ основана на необходимости оценки их качества на трех различных стадиях анализа объекта с четко разграничиваемыми целями.

I стадия включает оценку технологических свойств АБС с точки зрения удобства ее распределения тонким слоем асфальтоукладчиком и уплотнения катками (или другими механизмами). На этой лабораторной стадии должен быть получен ответ: насколько технологично (экономно) работать с данной АБС при строительстве асфальтобетонных покрытий и оснований.

II стадия включает ряд определений свойств АБ, косвенно оценивающих в лабораторных условиях его потенциальные способности сопротивляться механическим нагрузкам и погодно-климатическим факторам. Эти испытания являются условными. Они призваны дать ответ: насколько свойства проектируемого состава АБ отвечают установленным в данное время нормативным требованиям (СТБ, ГОСТ).

III стадия включает оценку интегральных свойств АБ, связанных с необходимостью прогноза долговечности данного материала с заданной надежностью при конкретных эксплуатационных воздействиях на дорожное покрытие или основание. Определение таких свойств относится к сфере научных исследований и призвано дать ответ: какие методы испытаний должны быть разработаны для обеспечения долговременной работы асфальтобетонных покрытий с заданными эксплуатационными свойствами (ровности, прочностных показателей, шероховатости и т.п.).

Исходя из изложенных принципов целевого определения свойств асфальтобетона, их общая классификация приведена в виде схемы на рис. 8.11.

Асфальтобетон в конструкции в зависимости от температуры и условий деформирования может находиться в следующих структурных состояниях:

- упругохрупком, при котором минеральный остов строго фиксирован застеклованными прослойками битума. В этом случае асфальтобетон по свойствам приближается к цементобетону и другим искусственным материалам с кристаллизационными связями;

- упругопластичном, когда зерна минерального остова соединены прослойками битума, которые проявляют при напряжениях, не превышающих предел текучести, упругие и эластические свойства, а при больших напряжениях – упруговязкие свойства;

- вязкопластичном, при котором зерна минерального остова соединены полужидкими прослойками битума и даже небольшое напряжение приводит к деформированию материала.

Указанные структурные состояния АБ в той или иной степени учитываются при проектировании его составов. Объяснение механизма сопротивления асфальтобетона транспортным нагрузкам и погодно-климатическим факторам способствует обеспечению требуемого качества дорожных асфальтобетонных покрытий.