Деструкция асфальтобетона при эксплуатации покрытий

 

Ярким проявлением деструктивных процессов, протекающих в асфальтобетоне, особенно в поверхностных слоях покрытий, явля­ются постепенное выкрашивание и шелушение с вырыванием отде­льных минеральных частиц, что указывает на понижение адгезии между минеральным и органическим компонентами.

Асфальтобетон, как уже отмечалось, чувствителен к колебаниям температуры внешней среды, что служит источником непрекращаю­щихся структурных изменений. Последние связаны то с повышени­ем концентрации твердой фазы (при снижении температуры) за счет спонтанного выделения из гетерогенной системы новых центров структурообразования, их размножения и обрастания, то с пониже­нием концентрации твердой фазы (при повышении температуры) за счет усиления теплового молекулярного движения с разрушением структурной мицеллярной сетки в вяжущем веществе. Под влиянием этих явлений практически непрерывно изменяется пластичность ас­фальтобетона и его вяжущей части. В сочетании с напряженным состоянием от механических усилий это приводит к нарушению структуры, к потере деформационной устойчивости. Тепловые флуктуации молекул в сочетании с циклически чередующимися ме­ханическими напряжениями нередко сами служат непосредственной причиной разрушения материала.

В асфальтовом бетоне могут возникать остаточные деформации, развиваемые до значительных размеров в дорожных и аэродромных покрытиях, с появлением наплывов, сдвигов, волн, складок, смеще­ний, например в кровельных и гидроизоляционных коврах. Этим деформациям необратимого характера способствует повышение температуры, поэтому для повышения теплоустойчивости важно обеспечить оптимальный состав и оптимальную структуру асфаль­тового бетона применительно к данным, конкретным условиям.

При отрицательных температурах, особенно при резких колеба­ниях температуры, возникают тепловые напряжения и возможны хрупкие микро- и макроразрывы, нарушение сплошности асфальто­бетонных покрытий.

Асфальтобетон чувствителен не только к тепловому фактору, но и к водной среде. Разрушение структуры под влиянием водного фак­тора происходит в результате нарушения сцепления битумных пле­нок с минеральными частицами, причем тем быстрее, чем интенсив­нее протекает диффузия и больше воды продиффундировало в монолитный материал. Этот процесс можно затормозить, напри­мер, уплотнением, очисткой покрытия от пылевых наносов и др., однако нельзя его полностью приостановить, особенно при длите­льном контакте покрытий, например дорожных, с водой в осенний и весенний периоды в средней климатической полосе страны. Про­никновение воды начинается с гидрофилизации поверхности за счет «застревания» в ней молекул воды, поверхностной сорбции, чему способствует тепловое движение (энтропийный фактор). Диффузии воды способствуют также уменьшенное количество асфальтенов в битуме, увеличенное содержание асфальтеновых кислот, водорас­творимых соединений типа фенолов (например, в дегтях), повышен­ная гидрофильность минеральных наполнителей. Вода как сильно полярная жидкость способна вначале оттеснять с поверхности мине­ралов менее полярные молекулы, раннее адсорбировавшиеся из би­тума, а затем сильно обводнять систему, создавая эффект набуха­ния. В соответствии с электрохимической теорией набухания интенсивная аккумуляция воды на поверхности минеральных час­тиц растет с повышением плотности заряда и, следовательно, с уме­ньшением диаметра этих частиц. Набухание обусловлено проника­нием молекул воды или иной среды в объем тела как диффузионным путем, так и по механизму капиллярного потока, поскольку в струк­туре тела практически всегда имеются микропоры, субмикротрещи-ны различных размеров и форм.

Наиболее уязвимой структурной частью асфальтового бетона является асфальтовое вяжущее вещество, а от его стойкости к во­дной среде и колебаниям температуры зависят согласно закону конгруэнции качественные показатели асфальтового бетона, его прочность, теплостойкость, долговечность и т. д. При тепловых перепадах через 0°С происходит разуплотнение асфальтобетона вслед­ствие циклического замерзания воды в порах покрытия. Разуплот­нение связано с увеличением пористости и с возрастанием притока воздуха внутрь покрытия, что сопряжено с активизацией процесса окисления органического вяжущего вещества. И хотя вода сама по себе является слабым окислителем битума или дегтя, она благопри­ятствует интенсивному их окислению вследствие повышения порис­тости и доступа воздуха в монолит. Воздействие воздуха основано на окислении и полимеризации углеводородов, в частности, непре­дельного ряда, с изменением группового химического состава и свойств битума или дегтя.

Окислительный процесс ускоряется под комплексным воздейст­вием воздуха, теплоты, солнечного света, особенно его ультрафио­летовых лучей. При ветровом воздействии происходит быстрое вы­мораживание воды, что в конечном счете приводит к росту хрупкости и количества микропор и трещин в асфальтобетонных покрытиях. С увеличением в битуме кислородсодержащих, азоти­стых и сернистых соединений стабильность битума уменьшается. К этому же нежелательному эффекту приводит увеличение пористо­сти асфальтобетона после деструкции под влиянием диффузии воды.

Из числа спонтанно развивающихся явлений старения битума, кроме упомянутых окисления и полимеризации, следует еще выде­лить синерезис и эмульгирование.

Синерезис — самоуплотнение вследствие молекулярного сцеп­ления, а также под влиянием сил тяжести или внешних сил. Из би­тума постепенно выделяется жидкостная среда (масла и смолы), которая в дальнейшем либо сорбируется минеральными компонен­тами, либо под внешним давлением выдавливается наружу, высту­пая в виде «жирных» пятен. В первом случае возрастает концент­рация асфальтенов в битуме и асфальтовом вяжущем веществе с упрочнением структуры и повышением жесткости материала. Во втором случае расслабляются структурные связи при высоких тем­пературах и появляются пластические деформации в верхних слоях покрытий.

Эмульгирование битума может быть вызвано присутствием в окружающей среде или в компонентах смеси, например в песке, эму­льгирующих веществ — глинистых примесей, извести, поверхност­но-активных веществ и др. Вынужденный частичный перевод биту­ма в эмульгированное состояние приводит к снижению адгезионных свойств, некоторой потере связности в монолите. Если изменения в структуре под влиянием температурных факторов нередко являются временными и носят обратимый характер, то синерезис и эмульсификация могут завершиться необратимыми явлениями ухудшения качества асфальтобетона.

К старению битума и дегтя может приводить также длительный контакт с некоторыми материалами, содержащими полуторные ок­сиды железа и алюминия.

Независимо от причин старения битума и асфальтобетона всегда происходит количественное и качественное изменение их состава. Интенсивность изменения группового динамического состава биту­ма нередко служит достаточной характеристикой старения материа­ла. Более точно старение битума можно определять по кинетике ро­ста вязкости во времени. По формуле η=Аe^φτ, где φ — фактор старения; τ — продолжительность старения; А — постоянная, мож­но найти величину τ долговечности до критического значения η_кр. Для этих целей в лабораторных условиях моделируют эксплуатаци­онные условия. Вместо вязкости пользуются также некоторыми дру­гими характеристиками качества, чувствительными к старению би­тума, например величиной сдвигоустойчивости.

Для торможения деструкции асфальтового бетона на стадии тех­нологии и в эксплуатационный период применяют различные меры. Важно обеспечивать высокую плотность структуры и поддерживать ее на этом уровне, вносить компоненты, повышающие деформативность монолита (не выходя за допустимые пределы); увеличивать гидрофобность асфальтобетона; снижать время релаксации напря­жений (в допустимых пределах); своевременно восстанавливать поверхностные слои и надежнее изолировать их от внешней агрес­сивной среды; использовать только оптимальные составы и оптима­льную структуру асфальтового бетона; вносить в составы стабили­заторы структуры, энергетически связывающие проникшую воду, и т. п.

Глава 11