close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

929.Ковалев, Н.С.Научно-практические основы морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов монография Н.С. Ковалев . ВГАУ, 2012 . 270 с. ил., табл . Библиогр. с. 254-268 . ISBN 978-5-7267-0619-1

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
аграрный университет имени императора Петра I»
Н.С. КОВАЛЕВ
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МОРОЗОСТОЙКОСТИ
И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Монография
Воронеж
2012
Печатается по решению научно-технического совета
Воронежского государственного аграрного университета
УДК 625.066/.068
ББК 39.311
К 563
Р е ц е н з е н т ы:
заведующий кафедрой «Строительство и эксплуатация
автомобильных дорог» Воронежского архитектурно-строительного
университета, советник РААСН, доктор технических наук, профессор
Вл.П. Подольский
доктор технических наук, профессор кафедры «Транспорт леса и
геодезия» Воронежской государственной лесотехнической академии
Д.Н. Афоничев
Ковалев Н.С.
К 563..Научно-практические основы морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов: монография
/ Н.С. Ковалев. – Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2012. –
270 c.
Монография посвящена проблемам расширения ресурсной базы
дорожного строительства, вопросам морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов, моделирования воздействия эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетон.
Издание предназначено для углубленного изучения студентами
дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», для научных работников, инженеров, занятых в сфере строительства и проектирования автомобильных дорог.
Монография также может быть использована студентами землеустроительных и дорожно-строительных специальностей при курсовом и дипломном проектировании.
Ил.89. Табл. 50. Библиогр.: 153 назв.
ISBN 978-5-7267-0619-1
Ковалев Н.С., 2012
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный
университет имени императора Петра I», 2012
2
ВВЕДЕНИЕ
Под надежностью (долговечностью) автомобильной
дороги или отдельных ее сооружений понимают способность
их к бесперебойной (безотказной) работе в определенных условиях эксплуатации в течение определенного срока службы.
В настоящее время доминирующим типом усовершенствованных покрытий автомобильных дорог являются асфальтобетонные и битумоминеральные, а рост добычи нефти
в нашей стране создает предпосылки дальнейшего развития
дорожных покрытий с применением органических вяжущих
материалов.
Из 9500 населенных пунктов Центрально-Черноземного района свыше 360 сельских населенных пунктов не
имеют подъездных путей с твердым покрытием.
Дальнейшее развитие сети автомобильных дорог требует большого количества кондиционных дорожностроительных материалов. При этом необходимо учитывать,
что стоимость материалов составляет свыше 50% сметной
стоимости строительства автомобильных дорог. Удешевление строительства автомобильных дорог возможно за счет
использования местных материалов, отходов и побочных
продуктов промышленности. Однако вместе с этим необходимо иметь в виду, чтобы покрытия автомобильных дорог
обладали достаточной долговечностью (надежностью). Только в таком аспекте применение местных материалов и отходов промышленности даст высокий экономический эффект,
особенно в период интенсивного строительства автомобильных дорог.
Весьма перспективными местными дорожно-строительными материалами в районах с развитой металлургической промышленностью являются шлаки. Широкое использование шлаковых материалов в дорожном строительстве позволит значительно расширить сырьевую базу, увеличить
темпы строительства дорог и при соблюдении оптимальных
технологических условий создать не только высокоэкономичные конструкции дорожных одежд, но и существенно повысить их долговечность в условиях эксплуатации.
3
В данной монографии обобщены результаты теоретических, экспериментальных и производственных исследований, проводимых автором в течение 35 лет по экспериментально-теоретическому обоснованию морозостойкости асфальтобетона из шлаковых материалов и трещиностойкости
асфальтобетонных покрытий из них.
Исследования процессов структурообразования в лабораторных и производственных условиях проводили как
стандартными методами, так и методами инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, растровой сканирующей электронной микроскопии, ртутной порометрии, дилатометрии и др. Для оценки достоверности результатов исследований применили методы математической статистики.
При количественном описании исследуемых процессов изменения структурно-механических свойств асфальтобетона
использовали методы математического планирования экстремальных экспериментов.
Для приближения характера испытаний асфальтобетона к условиям реальной эксплуатации в покрытиях автомобильных дорог разработан метод комплексного воздействия
эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетон
с основами моделирования.
Особенностью асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов является то, что формирование их происходит в процессе эксплуатации за счет химической и гидравлической активности шлаков, роста кристаллогидратов, армирования ими межзернового пространства и превращения
структуры из коагуляционной в коагуляционно-конденсационную, упрочненную кристаллизационными сростками в
местах контакта шлаковых зерен.
Применение асфальтобетона из шлаковых материалов
в дорожном строительстве позволит не только повысить долговечность асфальтобетонных покрытий, но и решить социально-экологические проблемы путем использования побочных продуктов металлургических комбинатов.
Результаты исследований защищены авторскими свидетельствами.
4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
С точки зрения надежности автомобильная дорога является сложной системой, так как представляет комплекс самых
разнообразных инженерных сооружений (проезжая часть, земляное полотно, мосты, трубы), самих по себе представляющих
сложные элементы, т.е. автомобильная дорога является нерезервированной сложной системой. В части определения надежности автомобильной дороги все исследователи сводят ее в основном к определению надежности дорожной одежды.
Одним из элементов надежности дорожной одежды является долговечность покрытия, т.е. свойство покрытия сохранять работоспособность в течение заданного срока. Асфальтобетон – это один из наиболее сложных искусственных строительных конгломератов, что обусловлено главным образом особенностью его структуры, а также большой зависимостью его
свойств от многих факторов внешнего воздействия. Работоспособность асфальтобетонных и битумоминеральных покрытий
характеризуется особенностями накопления разрушений структурных связей. Даже при низких отрицательных температурах
действует временная зависимость прочности, согласно которой
материал разрушается не мгновенно, а постепенно, за счет накопления во времени разрушений химических, межмолекулярных и других структурных связей.
Учитывая это, исследования структурообразования и
структурных изменений в асфальтобетонных материалах под
воздействием знакопеременных температур следует считать
одной из важнейших задач, решение которой позволит проектировать дорожные покрытия, обладающие заданной долговечностью.
Управление процессами структурообразования можно
осуществлять с помощью физико-химических, механических
и термических воздействий. Выявление оптимальных параметров этих воздействий позволит создавать материалы, устойчивые к воздействию климатических факторов и динамических нагрузок от движения транспортных средств.
5
1.1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
На дорожные покрытия, в том числе на асфальтобетонные и битумоминеральные, воздействуют атмосферные,
транспортные и грунтово-гидрологические условия. Атмосферные факторы проявляются в виде температурновлажностных изменений, солнечной радиации и т.д. Транспортные факторы проявляются в виде истирающих и динамических воздействий, вертикальных нагрузок, вакуумирующего действия шин, перемещения частиц асфальтобетона. Грунтово-гидрологическими факторами являются увлажнение основания, изменение температуры грунта, которые
создают значительные вертикальные колебания земляного
полотна, нередко приводящие к морозному пучению.
Недостаточная коррозионная устойчивость – наиболее
частая причина преждевременного разрушения асфальтобетонных и битумоминеральных покрытий. Асфальтовый бетон
разрушается главным образом при длительном или периодическом увлажнении и, особенно, в результате попеременного
замораживания и оттаивания.
Помимо действия воды при ее замерзании в порах, адсорбционные слои воды, понижая поверхностную энергию, облегчают образование новых поверхностей в асфальтобетоне при
его деформировании. Разрушающий эффект усиливается расклинивающим действием водных пленок, разъединяющих минеральные зерна и отслаивающих битумные слои [107].
На водо- и морозоустойчивость асфальтобетона большое
влияние оказывают: характер адгезии битума к поверхности
минерального материала, плотность, однородность структуры и
водопроницаемость асфальтобетона, а также характер имеющихся в нем пор, водо- и морозостойкость минеральных материалов, интенсивность процессов старения битума.
В соответствии с имеющимися представлениями
структура битумоминеральных материалов предопределяет
свойства и поведение материала в покрытии. В наиболее
обобщенном виде понятие «структура» означает совокуп6
ность развивающихся свойств материала, обусловливающих
его способность сопротивляться воздействию внешних сил
вплоть до разрушения [94]. Основоположником структурной
теории асфальтового бетона является П.В. Сахаров [126].
Дальнейшее развитие структурная теория получила в работах
Н.Н. Иванова, М.И. Волкова и Королева И.В., И.А. Рыбьева, В.В. Михайлова, Н.В. Михайлова, Л.Б. Гезенцвея и др.
[9, 20, 23, 46, 92, 94, 111].
В соответствии с этими работами структура асфальтобетона обусловлена: величиной, формой, особенностями
строения порового пространства; характером поверхности
минеральных зерен; количеством органического вяжущего;
количественным соотношением зерен разной крупности; механическими и физико-механическими свойствами минеральных материалов и органического вяжущего; особенностями взаимодействия и природой связей между структурными элементами.
Исследованию влияния структурных элементов на морозостойкость битумоминеральных и асфальтовых бетонов посвящено много работ. Влияние строения порового пространства
на стабильность свойств при воздействии знакопеременных
температур изучалось в работах [3, 20, 23, 38, 40, 142].
Следует заметить, что отсутствует единое мнение о
влиянии пористости на морозостойкость асфальтобетона. Так,
И.А. Рыбьев [111] отмечает, что пористость оказывает большое
влияние на долговечность материалов. Роль водной среды усиливается при воздействии знакопеременных температур. Уже
после 5 циклов замораживания-оттаивания прочностные показатели снижались на 50% и более. Причем на повышение коэффициента морозостойкости большее влияние оказывает степень
уплотнения при одной и той же пористости, нежели введение
дополнительного количества битума. Автор указывает на положительное влияние замкнутых пор. Л.Б. Гезенцвей [23] считает,
что необходимо дифференцированно подходить к назначению
остаточной пористости в зависимости от дорожноклиматической зоны. Опыт эксплуатации и испытания показывают, что чрезмерно пористый асфальтобетон быстро разрушается при воздействии знакопеременных температур. Для созда7
ния морозоустойчивых бетонов необходимо получить мелкопористую структуру с большим количеством замкнутых пор, недоступных действию воды. М. Дюрье считает опасным оставлять в течение длительного времени асфальтобетонные покрытия с пористостью выше 2,3-4% [40]. Исследователи [139, 142]
также едины во мнении, что с уменьшением остаточной пористости морозостойкость материалов повышается. Приведенные
результаты исследований в работе [143], напротив, свидетельствуют о повышенной морозостойкости асфальтовых бетонов как
с пористостью ниже 3%, так и выше 7%. В работах С.И. Самодурова и автора [55, 57, 58, 118, 119, 122] приводятся данные о
повышенной морозостойкости битумоминеральных смесей на
основе шлаковых материалов, имеющих водонасыщение порядка 10-14%.
Фазовый состав воды при отрицательных температурах под влиянием активности порового пространства в некоторой степени улучшает сопротивляемость капиллярнопористых тел воздействию знакопеременных температур [4,
22, 23, 137,138].
При рассмотрении влияния пористости и строения порового пространства на морозостойкость битумоминеральных материалов, помимо деструктивных процессов, происходящих при замерзании воды, следует учитывать также интенсификацию процессов старения битума под воздействием окружающей среды. Старение вяжущих материалов в асфальтобетонных покрытиях с большей пористостью происходит
интенсивнее, чем в плотных смесях [23, 111, 144].
Чтобы защитить покрытие от морозных воздействий в
асфальтовые бетоны добавляют минеральный порошок. В
этом случае капилляры в покрытии будут в достаточной степени замкнуты, поскольку дисперсные частицы прерывают
капиллярное движение воды и в то же время дают возможность расширения капилляра при большом давлении. Образование замкнутых капилляров при наличии мельчайших
частиц в минеральном порошке предотвращает разрушение
покрытий при замерзании воды. О положительном влиянии
минерального порошка на морозостойкость имеются данные
в работах [23, 129]. Добавки активизированного минерально8
го порошка способствуют не только улучшению структурных
связей и увеличению плотности асфальтового бетона, но и
получению мелкопористой однородной структуры этого материала, характеризующейся большим количеством замкнутых пор, которые в соответствии с представлениями
С.В. Шестоперова [138] играют роль микроамортизаторов,
гасящих давление замерзающей воды. Л.Б. Гезенцвей [23]
рекомендует вводить в асфальтобетон известь в количестве
2-3%, а И.А. Рыбьев [111] – цементное молоко. Эти мероприятия упрочняют структуру асфальтобетона.
Следует отметить, что до настоящего времени отсутствует теория морозостойкости капиллярно-пористых тел коагуляционно-конденсационной структуры, несмотря на ряд
теорий, имеющихся для капиллярно-пористых тел конденсационно-кристаллизационной структуры [26, 41, 140, 147].
Положительное влияние на морозостойкость асфальтовых бетонов оказывает однородность структуры. Из всего семейства асфальтобетонов наиболее однородным материалом
является песчаный асфальтобетон. Известно, что высокая однородность английского асфальтобетона обусловливает его способность равномерно распределять напряжения. Крупные неоднородности в асфальтовом бетоне могут индуцировать в зоне
контакта заполнитель-вяжущее микротрещины, способные к
дальнейшему развитию. Применение в асфальтовых бетонах
однородных по химико-минералогическому составу материалов
улучшает их морозостойкость.
Гидрофобные кремнийорганические добавки в асфальтобетонные и битумоминеральные смеси способствуют образованию структурно-механического барьера и, следовательно, повышают морозостойкость [22, 129].
Имеющиеся опытно-производственные данные в отечественной и зарубежной литературе [99, 129, 141] свидетельствуют о повышении морозостойкости с уменьшением
вязкости битума, однако в работе [133] приведены данные об
увеличении морозостойкости асфальтобетона с увеличением
вязкости вяжущего. Авторы делают вывод, что оптимальная
вязкость битума в асфальтобетоне должна назначаться с учетом его морозостойкости и долговечности.
9
Особенности взаимодействия минеральных и органических вяжущих материалов и характер связей между ними
предопределяют долговечность асфальтобетонных и битумоминеральных покрытий. К сложному комплексу физикохимических взаимодействий минеральных компонентов и
битума относят: физическую адсорбцию, обусловленную
действием Ван-дер-ваальсовых сил; хемоадсорбционные
процессы; избирательную диффузию компонентов битума;
изменение свойств поверхности минеральных материалов в
результате их взаимодействия с битумом.
М.И. Волков, Л.Б. Гезенцвей, Г.К. Сюньи, Н.В. Горелышев, Б.И. Ладыгин, Н.В. Михайлов и другие исследователи относят асфальтовые бетоны к дисперсным системам, обладающим коагуляционным типом структуры. Идеальный
тип этой структуры может характеризовать системы только
при отсутствии хемоадсорбционного взаимодействия. Химическое взаимодействие предполагает образование новых фаз
и, следовательно, возникновение конденсационных структур.
Большинство исследователей подчеркивает, что хемоадсорбция составляющих битума на поверхности минеральных зерен является одним из условий улучшения структурномеханических свойств систем и их стабильности при различных внешних воздействиях. Это позволяет считать коагуляционно-конденсационный тип структуры наиболее оптимальным для битумоминеральных материалов. Характер
процессов на границе раздела фаз битум-минеральный материал зависит как от состава и структуры органического вяжущего, так и от природы и структуры (включая строение
порового пространства) минеральных компонентов.
Управление процессами структурообразования можно
осуществлять с помощью физико-химических, механических и
термических воздействий. Выявление оптимальных параметров
этих воздействий для создания оптимальных структур, устойчивых к воздействию знакопеременных температур, следует считать одной из важнейших задач в области дорожно-строительных материалов и дорожного строительства.
По данным В.В. Михайлова [93], А.М. Богуславского
[9] и других исследователей, средний срок службы асфальто10
бетонных покрытий на внегородских дорогах составляет 1213 лет, а в городах – 7-8 лет. Трещины, возникающие в покрытии в холодный период года из-за недостаточной деформативности асфальтобетона, по данным В.В. Михайлова (в
среднем 60% случаев), являются основной причиной резкого
снижения срока службы асфальтобетонных покрытий.
Вопросам деформативной способности и трещиноустойчивости посвящено большое количество исследований.
Для решения этой проблемы многое сделали отечественные
ученые: Н.Н. Иванов, Б.И. Ладыгин, И.А. Рыбьев, А.М. Богуславский, Л.Б. Гезенцвей, М.И. Волков, Н.В. Михайлов,
Г.К. Сюньи, И.М. Руденская, Н.В. Горелышев, С.В. Бельковский, Н.М. Распопов, А.В. Руденский, С.К. Носков и другие.
В результате проведенных исследований вскрыты основные причины трещинообразования асфальтобетонных и
битумоминеральных покрытий. Это: недостаточно прочное
основание, которое проявляется в виде местных просадок;
несоответствие прочности дорожной одежды интенсивности
движения, усталость асфальтобетонных материалов. Основной же причиной большинство авторов считает воздействие
атмосферных факторов: температурно-влажностные воздействия, воздух, солнечная радиация и т.д. Эти факторы изменяют качество битумоминерального материала, его физическое состояние, причем, происходящие изменения в материале носят необратимый характер.
Что касается автомобильного движения, то оно играет
большую роль, когда асфальтобетонные покрытия начали
разрушаться под влиянием других факторов или результаты
воздействия автомобильного движения суммируются с другими причинами. В противном случае воздействие автомобильного транспорта незначительно. Характерно, что движение часто не является причиной разрушения, а, наоборот,
фактором уменьшения ранее образовавшихся деформаций
или снижения интенсивности разрушений [39]. На участках с
интенсивным движением наблюдается меньше деформаций,
чем в местах, где проезд почти не осуществляется. В последнем случае поверхность покрытия отличается большим количеством выкрашиваний, трещин, раковин. Следует предпо11
ложить, что колеса автомобилей закатывают частицы асфальтобетона и способствуют уменьшению их внешней поверхности, в результате чего влияние выветривания, соприкосновения с воздухом сказывается меньше, чем на участках покрытия, где движение почти отсутствует. Результаты наблюдений за асфальтобетонными покрытиями показывают, что
даже в сравнительно короткие промежутки времени происходят значительные изменения поверхности покрытия.
Грунтово-гидрологические условия также оказывают
существенное влияние на возникновение деформаций дорожного покрытия. Морозное пучение грунтов в природных условиях
всегда неравномерно: это неизбежное влияние распределения
влаги, различия в условиях питания подземными водами, неоднородности состава грунта. С.В. Бельковский детально изучил
влияние морозного пучения грунта на трещиностойкость покрытий [6], в последующем развитое в работах [39, 44].
Неустойчивое и недостаточно прочное основание, в
котором под нагрузкой или под влиянием погодных условий
возникают недопустимые по размерам деформации, может
служить причиной трещинообразования покрытий. При достаточно прочных основаниях трещиностойкость определяется свойствами самого покрытия или того асфальтобетона, из
которого построено это покрытие.
В первых работах по изучению деформативной способности и трещиностойкости напряженное состояние асфальтобетонного покрытия при охлаждении определялись по зависимости
для определения температурных напряжений упругих тел [47,
104, 131]. При обнаружении у асфальтобетона реологических
свойств Н.Н. Ивановым, Н.В. Горелышев [25] провел исследования и вывел формулу для определения температурных деформаций с учетом ползучести асфальтобетона. В последующем изучение деформативных свойств и трещиностойкости покрытий
проводилось с учетом реологических показателей [20, 22, 132].
Из проведенных в этой области исследований известно, что наибольшее влияние на деформативность при низких температурах
оказывает характер применяемого битума: менее вязкие битумы
обеспечивают повышенную деформативность асфальтового бетона. Имеются также исследования авторов [132, 133], что при
12
воздействии знакопеременных температур деформативные свойства лучше у асфальтобетона с более вязким битумом. Они же
делают вывод, что назначение вязкости битума необходимо проводить с учетом морозостойкости. Деформативность зависит
также от типа асфальтобетона и количества содержащегося в нем
битума. Вопрос о соотношении свободного и структурированного битума в асфальтовом бетоне является одной из центральных
проблем технологии асфальтобетона. Единого мнения по этому
вопросу нет. Одни исследователи полагают, что деформативность при отрицательных температурах выше у тех битумоминеральных материалов, где весь битум находится в структурированном состоянии; другие же указывают на необходимость присутствия некоторого количества свободного битума для повышения деформативной способности.
Для повышения деформативной способности асфальтобетона исследователи [23, 81, 83] предлагают вводить эластомеры, некондиционные каучуки, резиновую крошку, термоэластопласты, поверхностно-активные вещества и т.д.
При изучении деформативной способности асфальтового бетона многие исследователи большое внимание уделяют релаксации напряжений, однако при этом не учитывают
того, что релаксация напряжений снижает температурные
напряжения, а не температурные деформации. Осенне-зимнее
понижение температуры может привести к появлению трещин вследствие совместного действия таких факторов, как
понижение деформативной способности покрытия, возникновение растягивающих напряжений в покрытии вследствие
разности коэффициентов линейного температурного расширения покрытия и основания, а также морозной усадки.
При понижении температуры асфальтобетон сокращается, что объясняется значительной величиной его коэффициента
линейного температурного расширения. По данным [104, 131],
в интервале температур от 0 °С до –20 °С коэффициент линейного температурного расширения равен 0,00003 м/град для
песчаного и 0,00002 м/град для щебенистого асфальтобетона;
для оснований он принимается равным 0,00001 м/град. Усадка
асфальтобетона возможна также вследствие его набухания в
13
период осенних дождей и последующего вымораживания влаги [35].
При назначении оптимального содержания битума в
асфальтовых бетонах следует учитывать, что с увеличением
содержания битума увеличивается и коэффициент линейного
температурного расширения. При применении активированных минеральных порошков коэффициент линейного температурного расширения уменьшается [23].
Критерием трещиностойкости асфальтобетона W. Peffeken предложил считать предельную деформацию до разрушения, а не разрушающее напряжение [146].
Н.М. Распопов установил, что для создания трещиностойкого покрытия относительное удлинение асфальтобетона
при температуре –20 °С должно быть не менее 0,001 [104].
Н.Н. Иванов [47] полагает, что относительное удлинение морозостойкого покрытия при скорости деформирования, соответствующей деформированию покрытия при понижении температуры на 10 °С/ч, должно составлять:
при 0 °С – не менее 0,004-0,008;
при -20 °С – не менее 0,001-0,002.
По данным Н.В. Горелышева [25], морозоустойчивый
асфальтобетон должен обладать следующими параметрами:
относительное удлинение на растяжение при температуре –
20 °С должно быть более 0,0025, а при 0 °С – более 0,0045.
Все исследователи считают, что асфальтобетон оптимальной структуры обладает комплексом прочностных и деформативных свойств, обеспечивающих долговечность покрытий в реальных условиях эксплуатации. Следует заметить, что оптимальная структура асфальтового бетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходимой прочностью, с которой сочетаются достаточная деформативная
способность этого материала при пониженных температурах
и требуемая коррозионная устойчивость. Оптимальной
структуры при совпадении по всем структурно-механическим свойствам нет, а необходимо выбирать оптимальные составы по доминирующим факторам в реальных условиях эксплуатации покрытия.
14
Для оценки деформативных свойств и трещиностойкости асфальтобетона предложено значительное количество
показателей: коэффициент теплоустойчивости, прогиб под
нагрузкой, прочность на растяжение при изгибе, ползучесть и
скорость ползучести, модули деформации и упругости, вязкость ненарушенной структуры, кинетические характеристики и т.д. Наиболее обоснованными, по нашему мнению, являются те, которые учитывают реологические свойства асфальтобетона – кинетические характеристики, вязкость ненарушенной структуры, а также предельное относительное удлинение при изгибе.
В нашей стране достаточно полно изучены и вскрыты
закономерности между прочностными и деформативными
свойствами асфальтобетона оптимальной структуры, составлены математические зависимости деформирования асфальтобетонного покрытия при охлаждении с учетом релаксации
напряжений для допускаемой вязкости асфальтобетона.
Однако в настоящее время отсутствует достаточное
теоретическое обоснование связи работоспособности покрытий с процессом структурообразования в асфальтобетонных
смесях в условиях воздействия окружающей среды. Это обстоятельство не позволяет объективно подходить к вопросу
выбора типа оснований для покрытий из асфальтобетонных
смесей при проектировании дорожных одежд.
Развитие теории, связывающей процессы структурообразования в асфальтобетонных смесях с воздействием на
них факторов окружающей среды, будет способствовать
улучшению работоспособности покрытий из асфальтобетона
и увеличению срока их службы. Изучение строения и структурирующей роли минеральных компонентов, исследование
закономерностей их взаимодействия с органическими вяжущими позволит обоснованно регулировать процессы структурообразования для создания структур, предопределяющих
повышенную надежность асфальтобетонных и битумоминеральных покрытий.
15
1.2. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ФАКТОРА
ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОКРЫТИЙ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Применению металлургических шлаков в асфальтобетонных смесях посвящено много работ. Особенно большой
вклад в изучение свойств асфальтобетонных смесей на шлаковых материалах внесли исследования М.И. Волкова [17],
И.В. Королева [18], С.И. Самодурова [125] и др. [32, 51, 134].
Исследования С.И. Самодурова [125] показали возможность получения асфальтобетонных смесей на основе шлаковых
материалов и высокую экономическую эффективность их применения при строительстве и ремонте автомобильных дорог.
Гранулированные доменные шлаки до настоящего времени перерабатывают на шлакопортландцемент и используют в качестве песка при производстве цементобетонных изделий. Экономические расчеты показывают, что одна тонна гранулированного доменного шлака, уложенная в дорожную одежду, дает экономический эффект в 5-6 раз больше [63], чем одна тонна, переработанная на шлакопортландцемент. Поэтому шлаковые материалы целесообразно использовать в большей степени для дорожного строительства.
За рубежом (в США, Англии, Франции, ФРГ, Канаде,
Болгарии) также в больших масштабах используют в дорожном строительстве для приготовления асфальтобетонных
смесей металлургические шлаки [148-150, 152].
Основным отличием шлаковых материалов от обычных каменных, используемых для изготовления асфальтобетонных смесей, являются их гидравлические вяжущие свойства, которые позволяют создать материал новой структуры,
обладающий рядом преимуществ по сравнению с природными каменными материалами.
Определяющими факторами активности шлаковых материалов являются химический состав, температура исходного расплава доменного шлака и микроструктура, которая зависит от скорости охлаждения [16].
В зависимости от содержания главных шлакообразующих окислов при кристаллизации доменных расплавов могут
16
формироваться следующие минеральные образования: монтичеллит – CaMgSiO4, белит – 2СаО·SiO2, ларнит – СаSiO4, мервинит – Ca3MgSiO4, диопенд – CaMgSiO2, волластонит – βCaSiO3, псевдоволластонит – α-CaSiO3, геленит – Ca2Al(SiAlO7),
анортит – CaAl2Si2O8 и другие минеральные образования.
С точки зрения минералогического состава лучшими
шлаками являются те, в которых присутствуют минералы:
белит, ларнит, диопент и геленит. Такие шлаки более активны. Отмечается также существенная роль пироксена, анортита и псевдоволластонита [90]. Быстрое охлаждение шлакового расплава способствует его переохлаждению, скрытая теплота плавления соединений переохлажденного шлака сохраняется в виде внутренней химической энергии. Это обстоятельство, а также и активное состояние содержащихся в шлаковом стекле кремнезема и глинозема, наличие самостоятельно твердеющего двухкальциевого силиката определяют
гидравлическую активность шлаков.
Гранулированный доменный шлак получают из доменного расплава, подвергнутого быстрому охлаждению
струей воды или воздуха. Наиболее активными являются
гранулированные доменные шлаки мокрого способа охлаждения. Поверхность зерен остеклованная, с большим количеством выступов и углублений. До 80% от общей массы в гранулированных шлаках присутствует шлаковое стекло.
Шлаковая пемза представляет собой материал серожелтого цвета с большим наличием микро- и макропор. Стеклофаза в шлаковой пемзе занимает от 30 до 45%.
Литой шлаковый щебень, получаемый медленным охлаждением огненно-жидких доменных шлаков, содержит около
10% стеклофазы, а шлаковый песок характеризуется наличием
частиц разной прочности, шероховатой поверхностью.
Наличие стеклофазы определяет гидравлическую активность шлаковых материалов. Из рассмотренных нами шлаковых
материалов наиболее активными являются гранулированные доменные шлаки, а наименее активными – шлаковые пески.
Химический состав шлаковых материалов, принятых нами для исследования, представлен в таблице 1.2.1. Из данных
таблицы 1.2.1 видно, что в наших исследованиях рассматрива17
ются материалы, являющиеся основными продуктами цехов
шлакопереработки (гранулированные доменные шлаки) или ее
побочным продуктом (шлакопемзовые и шлаковые пески) при
переходе на работу металлургических заводов без отвалов.
Таблица 1.2.1. Химический состав шлаковых материалов
Наименование
поставщика
Химический состав, %
SiO2 CaO
Al2O3
MgO FeO
а) гранулированные доменные шлаки
Новолипецкий
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
Череповецкий
38,66 39,86 6,91 13,24 0,54
Магнитогорский 37,28 38,27 11,97 6,85 0,32
Челябинский
38,08 34,21 12,58 7,77 1,49
Свободный Сокол 37,81 43,03 10,01 9,00 0,35
б) шлакопемзовые пески
Новолипецкий
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
Челябинский
38,08 34,21 12,58 7,77 1,49
Магнитогорский 37,28 38,27 11,97 6,85 0,32
в) шлаковые пески
Новолипецкий
37,91 42,88 11,72 5,72 0,24
Модуль
про- основности
чие
1,53
0,79
5,31
5,87
1,35
0,98
1,16
0,92
0,93
1,11
1,53
5,87
5,31
-
1,53
-
Однако нашими исследованиями и исследованиями С.И.
Самодурова установлено, что в процессе технологических операций (разогрев шлакового материала, перемешивание его с битумом и уплотнение асфальтобетонной смеси) вследствие высокой хрупкости и дробления зерен гранулометрический состав
шлаковых материалов удовлетворяет требованиям ГОСТ 912897 на песчаные асфальтобетонные смеси типа Г [52, 57, 72, 125].
Поэтому рассматриваемые шлаковые материалы можно применять в асфальтобетонных смесях в естественном зерновом составе, т.е. в том, какой получается при грануляции или отсеве
крупных фракций (для шлаковых и шлакопемзовых песков).
Дробление зерен шлаковых материалов происходит по линии
наименьшей прочности, и асфальтобетонный монолит обладает
оптимальным стабильным гранулометрическим составом.
Гранулометрический состав исследуемых шлаковых
материалов приведен в таблице 1.2.2.
Как видно из результатов таблицы, в исходном состоянии гранулометрический состав шлаковых материалов не
удовлетворяет кривым плотных смесей для песчаного асфальтобетона типа Г.
18
19
Исследованиями подтверждено, что образование свежих поверхностей в условиях отсутствия загрязняющих примесей приводит к хемосорбционному взаимодействию, увеличению адгезионных связей между шлаковым материалом и
битумом [73, 74, 77, 116, 117, 125].
В зоне контакта шлаковых зерен между собой в асфальтобетонной смеси происходят процессы гидролиза и
гидратации шлаковых материалов, которые приводят к образованию жестких кристаллизационных связей. В работах
С.И. Самодурова, Г.А. Расстегаевой с участием автора показано, что при экстрагировании битума из образца асфальтобетонной смеси двухмесячного возраста его форма сохраняется за счет срастания шлаковых зерен между собой [74, 105,
125].
Пористая и микрошероховатая поверхность зерен
шлаковых материалов является фактором, способствующим
возникновению прочного адгезионного контакта между битумом и шлаком. Особенности строения порового пространства шлаковых материалов свидетельствуют о возможности
как избирательной фильтрации компонентов битума в тонкие
поры, так и внедрении битума в крупные поры без изменения
его группового состава.
Особенностью шлаковых материалов является также
их мелкопористая структура, характеризуемая наличием
большого количества замкнутых пор.
Особенностью асфальтобетонов на основе шлаковых
материалов являются также продолжающиеся длительное
время процессы структурообразования, что характеризуется
нарастанием прочности образцов во времени. В таблице 1.2.3
приведены показатели физико-механических свойств асфальтобетонов из шлаковых материалов, испытанных в разное
время с момента формовки. Для сравнения кинетики структурообразования взяты шлаковые материалы Новолипецкого
металлургического комбината. Из результатов таблицы 1.2.3
можно сделать вывод, что чем активнее шлаковый материал,
тем интенсивнее протекают процессы структурообразования.
20
21
Длительный контакт асфальтобетона из шлаковых материалов с водой не оказывает отрицательного воздействия на
структурно-механические свойства: возрастают пределы
прочности при сжатии при температурах 20 °С и 50 °С, увеличиваются коэффициенты водоустойчивости и длительной
водоустойчивости, уменьшается водонасыщение и остаточная пористость.
Исследования, проведенные с участием автора [74,
119, 120, 121] методом инфракрасной спектроскопии и ядерного магнитного резонанса широких линий, доказали, что
при соблюдении оптимальной температуры нагрева шлаковых материалов к моменту объединения с битумом ускоренного старения последнего не наступает.
Оптимальный температурный режим приготовления
асфальтобетонных смесей обоснован методами инфракрасной спектроскопии и термографического анализа. Лабораторными и опытно-производственными исследованиями установлено, что оптимальный температурный режим разогрева шлаковых материалов к моменту объединения с битумом
равен 110-130 °С. Исследованиями на пирометре Курнакова
установлено, что именно в интервале температур 60-130 °С
наблюдается эндотермический эффект, который указывает на
термохимические процессы, происходящие при этих температурах, т.е. именно в этом интервале температур происходят
хемоадсорбционные процессы на разделе фаз битумшлаковый материал. Методом инфракрасной спектроскопии
также подтвержден оптимальный температурный режим приготовления асфальтобетона из шлаковых материалов.
Такой температурный режим приготовления обеспечивает качественное перемешивание битума с разогретым минеральным материалом, позволяет распределить битум на
поверхности зерен равномерным слоем, способствует наиболее прочному сцеплению битума с минеральным материалом
и создает предпосылки для формирования прочной и долговечной структуры асфальтобетонных материалов.
Исследователи [19, 23, 45] считают, что взаимодействие минеральных и органических вяжущих материалов явля22
ется важнейшим элементом структурообразования в асфальтобетоне. Нами [120] показано, что на границе раздела фаз
битум-шлаковый материал могут и происходят процессы физической и химической адсорбции, в результате которых битум в асфальтобетонных смесях переходит в структурированное состояние.
Протекание хемоадсорбционных процессов на границе
раздела битума и шлакового материала подтверждены исследованиями, выполненными методами инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и термографического анализа. Показано, что при разогреве шлаковых материалов до температуры
110-130 °С в последних возникают свободные радикалы, которые взаимодействуют со свободными радикалами битума,
образуя устойчивые структурные связи. В ИК-спектрах смесей шлаковых материалов с битумом в области 800-1100 см-1
наблюдается полоса поглощения, характеризующая возникновение межмолекулярных водородных связей между несколькими молекулами. По сравнению со спектрами гранулированного доменного шлака, шлакового и шлакопемзовых
песков, не обработанных битумом, отмечается сужение и
смещение этих полос, указывающее на взаимодействие окислов кальция и магния с карбоксильными группами битума.
Анализ инфракрасных спектров смесей шлаковых материалов с битумом показывает, что в результате их объединения
происходит резкое изменение свойств как битума, так и шлаковых материалов, вызванное физико-химическим взаимодействием составляющих компонентов. Таким образом, оптимизация гранулометрического состава в процессе технологических операций, повышенное структурообразование битума в асфальтобетонах на основе шлаковых материалов,
улучшение структурно-механических свойств асфальтобетона во времени и в результате длительного воздействия воды,
интенсивное физико-химическое взаимодействие шлаковых
материалов с битумом при соблюдении оптимального температурного режима являются положительными факторами,
обусловливающими долговечность асфальтобетонов из шлаковых материалов и покрытий из них.
23
1.3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ОСНОВЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ
В качестве минеральных компонентов для изготовления
асфальтобетона нами были приняты гранулированные доменные шлаки с модулем основности от 0,92 до 1,16 (Челябинского,
Магнитогорского, Череповецкого и Новолипецкого металлургических комбинатов), шлакопемзовые пески (Челябинского,
Магнитогорского и Новолипецкого металлургических комбинатов) и шлаковый песок (Новолипецкого металлургического
комбината). Указанные выше материалы охватывают, по нашему мнению, весь спектр продуктов шлакопереработки при переходе на работу металлургических заводов без отвалов.
В качестве органического вяжущего применили битумы (III реологического типа по А.С. Колбановской) НовоКуйбышевского нефтеперегонного завода марок БНД 40/60,
БНД 60/90, БНД 90/130. Для изучения влияния вязкости битума на морозостойкость применяли также жидкие битумы
марок СГ и МГ [64, 65, 68, 106].
Обоснование морозостойкости асфальтобетона и трещиностойкости покрытий автомобильных дорог потребовало
привлечения наряду с физико-механическими методами испытаний также методов физики, химии, физико-химии, математического планирования и др.
Внутренняя структура и ее изменение под влиянием
внешних факторов предопределяет прочность асфальтового
бетона. Поэтому одним из основных методов исследования
асфальтобетона из шлаковых материалов был принят метод
механических испытаний. Физико-механические свойства
асфальтобетона, определяющие коррозионные и деформативные свойства, исследовали методами, рекомендованными
ГОСТ 9128-97 для определения свойств асфальтового бетона.
Физико-механические свойства определяли после воздействия 50, 75, 100 и 150 циклов замораживания-оттаивания; после предварительного выдерживания образцов асфальтобетона из шлаковых материалов на воздухе и в воде и последующего замораживания-оттаивания. Кроме перечисленных методов испытания физико-механических свойств, определяли
24
пределы прочности при изгибе и на растяжение, динамические модули упругости, хрупкость асфальтобетона после натурного замораживания, после воздействия замораживанияоттаивания при температурах от +20 до –20 °С. Одновременно с определением этих свойств проводили ультразвуковые
испытания при помощи ультразвукового прибора УК-10П.
Предел прочности при изгибе определяли по схеме балочки на двух опорах на приборе, созданном по принципу установки в Ленфилиале СоюздорНИИ. На этой же установке определяли ползучесть асфальтобетона, предельное относительное
удлинение при изгибе с помощью тензорезистивного метода
[100] (шлейфовый осциллограф Н-700, тензометрический усилитель ТА-5, тензорезисторы с базой от 10 до 50 мм) и динамический модуль упругости. При определении динамического модуля упругости продолжительность цикла нагрузка-разгрузка
была принята равной 1 с, время действия нагрузки в цикле –
0,1 с [48], а величина нагрузки принята 0,1 от разрушающей с
учетом того, чтобы материал работал в упругой стадии.
Хрупкость (сопротивление удару) определяли на копре
Пенджа [71].
Предел прочности на растяжение при расколе определяли
путем раскалывания цилиндрического образца по образующей
при скорости холостого хода поршня пресса 50 мм/мин [29].
Сцепление и угол внутреннего трения определяли через
сопротивление сжатию и растяжению по зависимостям [38]:
Sin φ =
Rr
Rr
и
С = 0,5 Rr ,
где R – предел прочности при сжатии,
r – предел прочности при растяжении.
Предел прочности на растяжение определяли на разрывной машине УРМ-5 со скоростью деформирования от
0,5 см/мин до 10 см/мин.
Реологические свойства асфальтобетона из шлаковых
материалов изучали с помощью методов ползучести, вязкости ненарушенной структуры и кинетических характеристик.
Ползучесть асфальтобетона изучали по методу Н.В. Горелы25
шева [25] на балочках размером 40х40х160 мм при температурах от –20 °С до +50 °С. При исследовании вязкости ненарушенной структуры вначале применили два метода.
Сущность первого метода [25] заключается в определении вязкости ненарушенной структуры по результатам
реологических испытаний асфальтобетонных балочек размером 40х40х160 мм на изгиб при соответствующей температуре по формуле
η0 = 4,9·L3/ bh3 · P/ωс · 106 ,
где
η0 – вязкость ненарушенной структуры, МПа·с;
L – расстояние между опорами, см;
b и h – соответственно ширина и высота асфальтобетонной балки, см;
P – постоянная нагрузка, при которой еще не происходит разрушение структуры асфальтобетона в крайних волокнах балки, МПа;
ωс – скорость вязкого прогиба в середине балки на
двух опорах, равная тангенсу угла наклона спрямленного
участка кривой прогиба к оси времени, мм/мин.
Величина неразрушающей нагрузки (P) в основном зависит от геометрических размеров балки и температуры испытания
и вычисляется по формуле (при схеме балочки на двух опорах)
P = 2/3 bhσр/ L,
где
σр – предельное неразрушающее напряжение, МПа.
По второму методу [80] вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона определяли при сжатии цилиндрических образцов по формуле
2
( h  h )2 Rh
η0 = 21 2 2 1 ·106 ,
(d макс.  d мин. )V
где
η0 – вязкость ненарушенной структуры, МПа·с;
h1 и h2 – высоты образца соответственно до и после
испытания, см;
V – скорость деформирования, см/с;
R – предел прочности при сжатии, МПа;
d1 и d2 – диаметры образца по середине высоты и у основания, см.
26
При сопоставлении полученных при исследовании результатов вязкости ненарушенной структуры обоими методами было установлено, что при температуре испытания:
+20 °С результаты отличаются друг от друга на 0,5%;
0 °С результаты отличаются друг от друга на 1,5%;
–20 °С результаты отличаются друг от друга на 2,9%.
Вследствие этого предпочтение было отдано методу
осаживания цилиндров, разработанному Я.Н. Ковалевым [80].
Кинетические характеристики определяли по методу
А.М. Богуславского [9]. С этой целью изменяли высоту h и
диаметр d асфальтобетонных образцов до и после исследования и предел прочности при сжатии. На основании этих данных рассчитывали значения реологических параметров:
400  h  h 2
1. Время релаксации:  
.
d 2
1000   d
2. Время ретардации:  
.
h
3. Модуль упругости:
K
Rh
.
h



4. Коэффициент вязкой податливости:
K.
5. Коэффициент вязкости по Максвеллу:  m    K .
1
6. Параметр Р1:
2 .
2
P

7. Параметр Р2:
2
.

8. Соотношение Р1 и Р2 – Р1/ Р2.
P1 
Исследование процессов структурообразования в асфальтобетонных смесях в лабораторных и опытно-производственных условиях проводили с помощью методов молекулярной спектроскопии и других.
Инфракрасную спектроскопию применили для изучения механизма взаимодействия битума с поверхностью шлакового материала, для исследования процессов гидролиза и
27
гидратации шлаковых материалов в асфальтобетонных смесях в результате взаимодействия гелеобразных новообразований и для исследования изменения межмолекулярного
взаимодействия в асфальтобетонных материалах в процессе
эксплуатации покрытий автомобильных дорог [98].
Дериватографический анализ применяется для изучения процессов, происходящих на границе раздела фаз. Нами
он применен для обоснования оптимального температурного
режима приготовления асфальтобетонных смесей [16].
При исследовании процессов структурообразования
использовали растровую (сканирующую) микроскопию [24],
которая для изучения асфальтобетонов впервые была применена С.М. Масловым [140].
Изучение теплофизических свойств шлаковых материалов и асфальтобетона проводили методом стационарного
режима [12, 36]. На основании проведенных исследований
получена формула для определения коэффициента теплопроводности асфальтобетона с различным содержанием битума в
смеси и разной средней плотностью материала [113, 114].
Строение порового пространства шлаковых материалов и асфальтобетона изучалось методами растровой (сканирующей) электронной микроскопии и ртутной порометрии
[7, 24]. Влияние активности порового пространства на температуру льдообразования изучали дилатометрическими методами, нашедшими применение в работах [3, 7].
При исследовании структурно-механических свойств
асфальтобетона из шлаковых материалов для оценки достоверности полученных результатов применяли методы математической статистики.
Обследование опытных участков покрытий автомобильных дорог включало в себя:
- отбор проб вырубок для исследования структурообразования асфальтобетона из шлаковых материалов в результате
эксплуатации и для изучения строения порового пространства;
- исследование кинетики формирования покрытий в
результате эксплуатации;
- исследование кинетики трещинообразования и влияния вида основания на процессы трещинообразования с замером расстояний между трещинами;
28
- определение модуля упругости и коэффициента сцепления колеса автомобиля с покрытием.
1.4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
РЕЦЕПТУРНЫХ, ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА
Асфальтовый бетон является одним из наиболее сложных искусственных конгломератов, что обусловлено главным
образом особенностью его структуры, а также большой зависимостью его свойств от многих факторов внешнего воздействия.
За последние годы появилось большое количество работ по исследованию влияния эксплуатационных и климатических воздействий на изменение свойств асфальтобетона.
Значительная часть этих исследований посвящена вопросам
моделирования внешних воздействий на асфальтобетон с целью прогнозирования его эксплуатационной надежности.
Под надежностью следует понимать свойство материала сохранять во времени в процессе эксплуатации единство структуры и физико-механических свойств, стабильность которых
обеспечивает его функциональное назначение.
Известные способы моделирования эксплуатационных
и климатических воздействий на асфальтобетон основаны на
дифференциальном подходе к оценке стабильности его
структуры по результатам влияния отдельных факторов. Однако такая оценка не позволяет учесть одновременное влияние комплекса эксплуатационно-климатических и рецептурных факторов на асфальтобетон, как это имеет место в реальных условиях эксплуатации покрытий автомобильных дорог.
Существующий ГОСТ на асфальтобетонные смеси и асфальтобетон (ГОСТ 9128-97) также не учитывает комплексного
воздействия факторов. Лабораторные методы оценки показателей качества асфальтобетона не отражают условия его реальной
работы в покрытии при изменяющемся температурно-влажностном режиме. Кроме того, характеристика свойств асфальтобетона дается по отдельным независимым показателям, а
комплексное влияние эксплуатационно-климатических факторов на свойства асфальтобетона практически не изучено.
29
Нами предложен и разработан способ подготовки образцов строительных материалов к испытаниям на прочность
[128]. Сущность способа заключается в том, что на один и
тот же образец воздействует комплекс эксплуатационноклиматических факторов, после чего определяются параметры структурно-механических свойств материала. Предварительные исследования, проведенные по предложенному способу, показали, что при комплексном воздействии возможен
синергизм эффектов [78, 124].
При исследовании физико-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов для математического
описания влияния факторов применили метод математического планирования экстремальных экспериментов, сущность
которого заключается в получении максимальной информации при минимальном количестве экспериментов (ММПЭЭ)
[2, 54]. Этот метод отличается от многомерного регрессионного анализа тем, что исследователь заранее планирует его
стратегию, активно вмешивается в эксперимент, а не является пассивным наблюдателем
in
in
in
i 1
i 1
i 1
Y = b0 +  bixi +  bijxixj +  biixi2,
где
b0– свободный член;
bi – линейный коэффициент;
bij – коэффициент взаимодействия;
bii – квадратичный коэффициент.
Перед планированием производится масштабирование
факторов, чтобы получить уравнение полинома второй степени относительно безразмерных величин xi.
Переход от физических переменных Х i к кодированным xi осуществляется по формуле
X i  X i0
xi =
,
i
X iв  X iн
где Х0 =
– середина диапазона варьирования i фактора;
2
X iв  X iн
 =
– шаг варьирования i фактора;
2
30
Х вi и Х шн – соответственно верхний и нижний уровни
варьирования i-го фактора.
В результате кодирования переменных верхнему уровню будет соответствовать значение «+1», нулевому – «0», нижнему – «–1».
После реализации экспериментов проводится проверка
равноточности опытов в каждой точке по t-критерию Стьюдента и проверка выборочных дисперсий по  -критерию
Кохрена.
Проводят проверку значимости коэффициентов по
t-критерию Стьюдента.
Проводят проверку модели на адекватность по Fкритерию Фишера.
Сочетание комплексного воздействия факторов и математического метода планирования экстремальных экспериментов позволяет получить математические модели, связывающие эти воздействия на свойства асфальтобетона из
шлаковых материалов. При этом очередность воздействия не
влияет на получение окончательного результата, так как каждый из факторов воздействия находится на трех уровнях: от
минимального до максимального значения.
Анализируя все вышеизложенное можно сделать обобщающие выводы.
Асфальтовый бетон является гетерогенной дисперсной
системой, все свойства которой определяются ее структурой.
По характеру связей между структурными элементами асфальтобетонные материалы, обладающие оптимальной
структурой, относят к системам, имеющим коагуляционноконденсационный тип структуры.
Современная теория асфальтового бетона позволяет
управлять прочностью асфальтобетона оптимальной структуры, деформационной устойчивостью и долговечностью материала в покрытиях автомобильных дорог. Вместе с этим
нельзя считать выясненной окончательно природу сил, ответственных за устойчивые связи при воздействии знакопеременных температур. Исследование асфальтобетонов с применением современных методов, выяснение природы сил яв31
ляется предпосылкой для дальнейшего развития принципов
направленного структурообразования.
На морозостойкость асфальтобетонных материалов большое влияние оказывают: характер адгезии битума к поверхности минеральных зерен, плотность, однородность структуры и
водонасыщение, а также характер имеющихся в нем пор; водои морозоустойчивость используемых минеральных материалов,
интенсивность процессов старения асфальтового бетона. Однако еще недостаточно полно изучено влияние строения порового
пространства и его активности на морозоустойчивость. Остается открытым вопрос о рациональном соотношении объемного
(свободного) и адсорбированного битума и влиянии их на деформативную способность.
Структура асфальтобетона из шлаковых материалов отличается от структуры асфальтобетона на природных каменных
материалах наличием кристаллизационных сростков, возникающих в результате гидролиза и гидратации шлаковых материалов. Современные методы исследования позволят выяснить
структурно-механические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов, изучить физико-химические взаимодействия
между шлаком и битумом и выяснить влияние строения и активности порового пространства на долговечность асфальтобетона при воздействии знакопеременных температур.
В настоящее время отсутствует достаточно теоретическое обоснование связи работоспособности покрытий с процессами структурообразования в асфальтобетонных смесях в
условиях окружающей среды. Это обстоятельство не позволяет объективно подходить к вопросу выбора типа и конструкции дорожной одежды при проектировании. Развитие
теории, связывающей процессы структурообразования в асфальтобетонных смесях с воздействием на них окружающей
среды, будет способствовать улучшению работоспособности
покрытий и увеличению срока их службы.
32
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Структурно-механические свойства асфальтобетонных
материалов и их поведение в конструктивных слоях дорожных
одежд определяются прочностью сцепления битума с поверхностью минерального материала и свойствами тонких слоев битума на минеральных материалах. Поэтому взаимодействие минеральных и органических материалов считается важнейшим элементом структурообразования в асфальтовом бетоне, а выявление природы сил, ответственных за адгезионную прочность
сцепления органических вяжущих и минеральных материалов,
является первостепенной задачей, от решения которой зависит
долговечность асфальтобетонных покрытий и эффективность
направленного структурообразования.
Строение порового пространства, его активность являются факторами, обусловливающими устойчивость структуры
при воздействии знакопеременных температур, а знание теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов позволит
теоретически обоснованно проектировать конструкции дорожных одежд и влиять на их водно-тепловой режим.
2.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ
АДГЕЗИОННЫХ СВЯЗЕЙ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Современные теории о природе адгезионных связей в дисперсных системах по-разному трактуют механизм адгезии. В
настоящее время известны механическая теория склеивания, адсорбционно-молекулярная, электрическая, электрорелаксационная, диффузная теория адгезии и ряд других.
Адсорбционно-молекулярная теория адгезии Дебройна
и Мак-Лорена [1, 145] рассматривает адгезию как результат
проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезии и субстрата. Поэтому
важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию, как
33
это следует из правила полярности. Адсорбционно-молекулярная теория адгезии делит процесс образования адгезионной связи на две стадии: транспортирование молекул к поo
верхности субстрата до расстояния меньше 5 A , затем между
молекулами адгезива и субстрата начинают действовать
межмолекулярные силы и постепенно наступает адгезионное
равновесие. Взаимодействие адгезива и субстрата приобретает особое значение при наличии функциональных групп.
Структура и свойства пленки адгезива, сформированной на
твердой поверхности, во многом определяются условиями
адсорбции, поскольку из раствора адгезива адсорбируются не
только единичные молекулы, но и их агрегаты. Ориентирующее влияние субстрата оказывается достаточно существенным и простирается на глубину от нескольких десятков
ангстрем до нескольких десятков микрон [1, 81].
При контакте двух разнородных поверхностей силы, ответственные за адгезионную связь, в конечном счете определяются химическим строением контактирующих поверхностей [8]. При установлении контакта полимерных адгезивов с
субстратами различной природы на границе раздела возникает двойной электрический слой. Этот процесс является следствием химического взаимодействия адгезива и субстрата,
образования водородных связей, донорно-акцепторного
взаимодействия, ориентированной адсорбции дипольных молекул адгезива на поверхности субстрата. Во всех этих случаях устанавливается такое распределение электронной
плотности, что суммарный эффект приводит к образованию
двойного электрического слоя на границе раздела фаз [91]. В
последующем возникла разновидность электрической теории
– электронная, разработанная Б.В. Дерягиным [34]. Согласно
этой теории считают, что высокая адгезия возникает тогда,
когда функциональная группа полимера обладает свойствами
донора или акцептора электронов, способных переходить через фазовую поверхность раздела, и, следовательно, создавать двойной электрический слой. В этом случае возникновение двойного электрического слоя и повышенная адгезия являются следствием взаимодействия пришедших в контакт
34
функциональных групп адгезива и субстрата и переноса электронов через границу раздела. Б.В. Дерягин предложил следующий донорно-акцепторный ряд [33, 34]: донор NH2 >
OH > OCOR > C6 H5 > COOH > CN > - C = С - акцептор.
Различные комбинации групп гидроксил-гидроксил;
гидроксил-карбоксил и других донорно-акцепторных групп
позволяют получать высокую адгезию.
Установление контакта между адгезивом и субстратом
во многих случаях не ограничивается адсорбцией полимерных молекул на твердой поверхности. Иногда система может
претерпевать дальнейшие более глубокие изменения, что
связано с явлением диффузии. Диффузионные процессы на
границе раздела фаз адгезив-субстрат имеют большое влияние на адгезионную прочность, поскольку одностороннее или
взаимное проникновение фаз должно обеспечить более полный молекулярный контакт и, соответственно, большую
прочность адгезионной связи. Как отмечают в [8], диффузия
– один из весьма эффективных способов достижения молекулярного контакта между адгезивом и субстратом. Чем глубже
молекулы адгезива внедряются в субстрат, тем более благоприятны условия для реализации максимально возможного
числа связей между молекулами адгезива и субстрата.
Представления о решающей роли диффузии при установлении адгезионной связи получили широкое распространение под названием диффузионной теории адгезии [21].
Применительно к битумоминеральным материалам диффузная теория развивалась в работах И.М. Борщ, Л.С. Терлецкой, Л.Б. Гезенцвея [11, 23].
В случае материалов из пористых пород наряду с адсорбционными процессами происходит избирательная диффузия низкомолекулярных компонентов битума в поры материала под влиянием разности термодинамических потенциалов и капиллярных сил. Хотя вопросы диффузии низкомолекулярных соединений в системе адгезив-субстрат представляются достаточно важными, но для выяснения механизма
адгезионных связей большой интерес представляет диффузия
в субстрат макромолекул адгезива.
35
Основываясь на общих представлениях о влиянии на
коэффициент диффузии молекулярного веса пенетрата, не
следовало бы ожидать у адгезивов способности к диффузии в
субстрат. Оказалось, что пенетраты полимерной природы могут диффундировать в материал на значительную глубину.
Объяснить это удалось с помощью представлений о сегментарном характере диффузии, в соответствии с которыми гибкие молекулы аморфных полимеров проникают в вакантные
полости отдельными сегментами. Как отмечает С.С. Воюцкий [21], следует учитывать влияние на диффузию надмолекулярных образований в полимерном пенетрате. Чем выше
молекулярный вес полимера, тем более устойчивы надмолекулярные образования и меньше диффузия.
Таковы современные представления о природе адгезионных связей в дисперсных системах. Переходя к битумам и
битумоминеральным смесям, следует заметить, что методы
оценки адгезии битума с поверхностью минерального материала в значительной степени условны и требуют дальнейшей разработки так же, как и установление природы сил, ответственных за прочность адгезионных связей в системе битум-минеральный материал, несмотря на то, что структурномеханические свойства битумоминеральных материалов и
поведение их в конструктивных слоях дорожных одежд определяются прочностью сцепления битума с поверхностью
каменного материала и свойствами тонких слоев битума на
поверхности.
А.С. Колбановская и В.В. Михайлов отмечают, что в
образовании связей в битумоминеральных материалах принимают участие Ван-дер-ваальсовые и химические силы [81].
Краткий обзор современных теорий адгезии позволяет
рассматривать взаимодействие материала с битумом как
комплекс более сложных сил, ответственных за адгезионную
прочность в битумоминеральных смесях. Важная роль во
взаимодействиях между молекулами адгезива и субстрата
принадлежит водородным связям. Водородные связи способствуют образованию более протяженных линейных структур,
в то время как лиофобные – более компактных – глобулярных [15].
36
2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С БИТУМОМ
При взаимодействии шлаковых материалов с битумом на
границе раздела фаз битум-минеральный материал происходят
хемоадсорбционные процессы. Одним из методов для оценки
интенсивности взаимодействия шлакового материала с битумом нами принят метод инфракрасной спектроскопии. Этот
метод позволяет оценить степень взаимодействия шлакового
материала с битумом, а также интенсивность процессов старения битума в асфальтобетонных смесях, минеральная часть которых состоит из одного гранулированного шлака.
При изучении сложных систем, какими являются асфальтобетонные материалы, во многих случаях не представляется возможным решить проблему физико-химического
взаимодействия в полном объеме, поэтому часто пользуются
понятиями о характеристических полосах или групповых характеристических частотах [96, 101], с помощью которых
можно решать вопросы межмолекулярного взаимодействия и
анализировать природу связей.
В шлаковых материалах есть наличие стеклофазы. Поверхность шлакового стекла схематически можно изобразить
следующим образом:
H
Si
O-H…O
H
O
H
Si
O-H…O
H
O
H
Si
O-H…O
H
О
Учитывая эти особенности, следует ожидать, что высокой адгезией к стеклу будут обладать материалы, содержащие гидроксильные, карбоксильные и другие полярные
группы, способные к образованию водородных связей с поверхностными гидроксилами, а также к ион-дипольному и химическому взаимодействию [88].
37
Нами были проведены исследования физико-химического
взаимодействия гранулированного доменного шлака с битумом. На рис. 2.1.1 представлены инфракрасные спектры поглощения гранулированного доменного шлака, шлакового и
шлакопемзового песков Новолипецкого металлургического
комбината, битума марки БНД 90/130 и их смесей.
Рис. 2.1.1. Инфракрасные спектры поглощения битума марки
БНД 90/130, гранулированного шлака и его смеси с битумом:
1 – битум марки БНД 90/130; 2, 3, 4 – соответственно гранулированный доменный шлак, шлакопемзовый и шлаковый пески; 2',3',4' – соответственно их смеси с битумом
Анализируя инфракрасные спектры исходных шлаковых материалов по областям поглощения, установили:
1. В области частот 3720-3500 см-1 обнаруживается полоса поглощения, соответствующая свободным колебаниям гидроксильных групп [98, 101]. Интенсивность ее (полосы поглощения) убывает в последовательности: гранулированный доменный шлак → шлакопемзовый песок → шлаковый песок. Это
явление, по всей видимости, связано с высокой гидравлической
38
активностью гранулированного доменного шлака, в котором
интенсивно происходят процессы гидролиза и гидратации. Наличие стеклофазы определяет гидравлическую активность шлаковых материалов. Из рассмотренных нами шлаковых материалов наиболее активными являются гранулированные доменные
шлаки, а наименее активными – шлаковые пески.
2. Слабая полоса поглощения в области 1640 см-1, обусловленная деформационными колебаниями ОН, свидетельствует о наличии физически сильносвязной воды (кристаллогидратной воды), слой которой практически одинаковый на всех
шлаковых материалах [98]. Слой сорбированной влаги достигает толщины сотен ангстрем и удаляется с поверхности материала с большим трудом в вакууме при температурах 400-500 °С.
3. В области 1340-700 см-1 наблюдается сильное поглощение, обусловленное валентными колебаниями Si-O и
Al-O – связей и валентными колебаниями ионов кальция и
магния [97, 98].
4. Поглощение в области 1160 см-1 связано, по всей
видимости, с деформационными колебаниями иона (Н3О)+ в
геле кремнезема [97, 98].
Анализ инфракрасного спектра битума БНД 90/130 и
сопоставление волновых чисел позволяет установить:
1. Поглощение в области 3570-3200 см-1 свидетельствует о наличии гидроксильной группы [5]. Форма полосы поглощения свидетельствует о полимерной ассоциации с образованием водородных связей [5, 101].
2. Поглощение в области 1950 см-1 относится к карбоксильной группе [5].
3. Полоса поглощения в области 1601 см-1 характеризует наличие ароматических соединений и связей типа – С = С –
[5, 96].
4. Углеводородные соединения – С-Н характеризуются поглощением в областях 1250-900 см-1.
Анализ инфракрасных спектров поглощения смеси шлаковых материалов с битумом, приготовленной при температуре 130 °С, позволил установить:
1. В области 3720 см-1 уменьшается полоса поглощения,
характеризующая свободные колебания гидроксильных
39
групп. Учитывая, что на поверхности гранулированного доменного шлака имеются свободные гидроксильные группы,
можно предположить, что битум взаимодействует со шлаковым материалом по схеме [5, 96, 98]
Si – OH + HO – R
S – O – R + H2O.
2. Интенсивность полосы поглощения в области колебаний ароматических соединений 1601 см-1 не изменяет своей величины, что свидетельствует об отсутствии интенсивного старения битума.
3. Сужение и смещение полос в области 1200-800 см-1
свидетельствует о сильном физико-химическом взаимодействии
между шлаковыми материалами и битумом по схеме [96, 98]
Ме+ О- + R – COOH
Me – O – OCR + H2O,
а также возможно взаимодействие по схеме Ме+ О ···- Н+ –
OСOR с образованием ион-дипольного типа связей.
Таким образом, с помощью метода молекулярной
спектроскопии установлено, что в образовании адгезионных
связей в асфальтобетонных смесях на основе гранулированного доменного шлака участвуют химические связи типа
Si – O – R , ион-дипольные связи типа Ме+ О -··· Н+ –
OCOR и водородные связи типа Si OH ··· НСООR.
Образование органоминеральных соединений типа М –
О – ОСR, которые не растворимы в воде, ведет к созданию
структурно-механического барьера, который в асфальтобетоне из шлаковых материалов оказывает экранирующее действие, снижая избирательную фильтрацию компонентов битума
в поры минерального материала [23].
Кремнийорганические соединения типа
S–O–R
придают материалам гидрофобные свойства и тем самым способствуют повышению их водо- и морозостойкости. Исследования, проведенные Д.И. Гегелия и Л.Б. Гезенцвеем [22], позволили установить, что при применении кремнийорганических
соединений типа ГКЖ-94 М коэффициент морозостойкости
40
увеличился с 0,12 до 0,56 при применении в качестве минерального порошка гидрофобизированного суглинка.
Следует заметить, что связи типа Si – O - H -···H – COOR
значительно превосходят по величине силы Ван-дер-ваальсова
взаимодействия. Образование водородных связей сопровождается возникновением двойного электрического слоя [33, 34]. Электростатические силы носят дальнодействующий характер, и при
снятии нагрузки это приводит к самозалечиванию трещин.
Особенностью стеклофазы шлаковых материалов является резкое различие в структуре и химическом составе основной
массы стекла и поверхностного слоя. Это связано с тем, что поверхность стекла в атмосферных условиях сразу же после ее образования подвергается изменениям, в результате которых возникает поверхностный слой, отличающийся по химическому
составу и физическим свойствам от остальной массы стекла.
Исследования при помощи сканирующего электронного
микроскопа (рис. 2.1.2) позволили установить, что под влиянием атмосферной влаги происходит модификация поверхности
шлакового стекла с возникновением новообразований. Подобные пленки, образованные преимущественно кремнеземом,
окислами кальция и магния, обладают значительной адсорбционной способностью. Последнее обстоятельство свидетельствует о пористом строении поверхностного слоя стекла [4].
3 мкм
1 мкм
Рис. 2.1.2. Влияние атмосферной влаги на модификацию
41
поверхности шлакового стекла
Свойства
поверхностных
пленок
исследовались
И.В. Гребенщиковым и др. [31]. Установлено, что при соприкосновении стекла с водой или ее парами на поверхности в результате гидролиза щелочных и щелочноземельных силикатов
образуется кремнеземная пленка. Как уже отмечалось выше,
при взаимодействии с битумом это приводит к образованию
химических, водородных и Ван-дер-ваальсовых связей.
При анализе взаимодействия шлаковых материалов с
битумом и образования прочных адгезионных связей между
ними следует учитывать и диффузию компонентов, а также,
что особенно важно, «макромолекул» битума в поры шлакового материала и в поры поверхностного слоя стеклофазы.
При неспецифической диффузии отдельных компонентов битума (мальтеновой части) смолы и асфальтены адсорбируются на поверхности шлакового материала [11, 23]. При этом
поверхностный слой обогащается смолами и асфальтенами.
До сих пор предполагалось, что между жидкостью в
сольватном слое и объемной жидкостью имеется более или
менее резкая граница, однако [10] проведенные исследования
свидетельствуют о том, что между жидкостью в сольватном
слое и объемом существует переходная зона – «подплавленный» слой с повышенной подвижностью по сравнению с
объемной жидкостью. Можно предположить, что этот «подплавленный» слой образован в асфальтобетоне из шлаковых
материалов мальтеновой частью (маслами), так как их вязкость значительно ниже вязкости битума и вследствие этого
– повышенную деформативную способность при отрицательных температурах.
Принимая неспецифическую диффузию как один из факторов повышения деформативной способности, следует учитывать также диффузию битума в поры шлакового материала. В
этом случае получаемая система битум-шлаковый материал обладает стабильностью к воздействию окружающей среды
вследствие армирования шлакового материала битумом.
Приемлемость диффузной теории адгезии к асфальтобетону из шлаковых материалов очевидна (рис. 2.1.3).
Нарастание прочности во времени у асфальтобетона на
42
шлаковых материалах с позиции адсорбционной и электрической теории адгезии труднообъяснимо. И только
диффузная теория адгезии легко объясняет такую зависимость медленной диффузией молекул битума и его составляющих в поры шлакового материала.
Рис. 2.1.3. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона
из
шлаковых материалов во времени при
температуре 20 °С:
1 – асфальтобетон на
основе гранулированного доменного шлака Череповецкого металлургического комбината и битума
БНД 60/90 – 9%;
2 – асфальтобетон на
основе гранулированного доменного шлака
Магнитогорского металлургического комбината и битума БНД
60/90 – 8%;
3 – асфальтобетон на
основе гранулированного доменного шлака
Челябинского металлургического комбината и битума
БНД 60/90 – 9%
При исследовании строения пленки битума на шлаковой подложке методом растровой электронной микроскопии
установлено (рис. 2.1.4), что глобулы и их ассоциаты, являющиеся первичными структурными элементами битума,
сохраняются в структуре битумной пленки на поверхности
шлаковых зерен в единичных случаях.
43
Пленка битума на шлаковых зернах имеет сложную
надмолекулярную (вторичную) структуру. Под влиянием активной шлаковой подложки происходит разворачивание макромолекулярных глобул, которые при дальнейшей агрегации
образуют фибриллы, фибриллярные ленты, разветвленные
ленточные структуры и другие линейные элементы, связанные между собой в единую структурированную сетку.
а
б
0,3 мкм
1 мкм
Рис. 2.1.4. Надмолекулярная ленточная фибриллярная (а) и глобулярная
(б) структура битумной пленки на поверхности шлаковых материалов
Глобулярная структура битумной пленки на поверхности шлаковых материалов встречается крайне редко. Строение битумной пленки на поверхности зерен шлака близко к
структуре пленок полимеров, в том числе и эластомеров.
Учитывая известное положение об улучшении структурномеханических свойств битумов при введении в них полимерных добавок и установленное сходство строения битумной
пленки на шлаковой подложке со структурами пленок полимеров, можно считать, что такой характер строения органического вяжущего будет являться одним из факторов повышения долговечности асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов.
Образование вторичных надмолекулярных структур
приводит не только к специфическому характеру адсорбции высокомолекулярных компонентов битума, но и предопределяет
44
особенности взаимодействия молекул адгезива с поверхностью
шлакового материала. Развернутая форма макромолекул и их
надмолекулярных элементов улучшает условия взаимодействия
адгезива с поверхностью, а глобулярная – препятствует осуществлению достаточного числа контактов.
Резюмируя вышеизложенное, можно полагать, что на
адгезионную прочность асфальтобетона из шлаковых материалов оказывают влияние силы:
1) электронной адгезии. Электростатические силы
имеют значительно больший радиус действия по сравнению с
Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями и тем более по
сравнению с химическими силами. Дальнодействующий характер электростатических сил особенно важен потому, что
может приводить после снятия нагрузки к самозалечиванию
возникающих микротрещин, т.е. усталостная прочность материала повышается, если адгезия обусловлена электростатическими силами;
2) молекулярной адгезии, обусловленной силами химических (ионных и ковалентных связей), водородных и вандер-ваальсовых (дисперсионных, ориентационных и индукционных) взаимодействий;
3) диффузной адгезии, обусловленной цепочечным
строением битума и гибкостью его элементов. Большое
влияние на адгезионную прочность оказывает как неспецифическая диффузия (диффузия отдельных компонентов битума в поры шлакового материала), так и специфическая
диффузия (диффузия макромолекул битума или его сегментов в поры шлаковых материалов). Силы диффузной адгезии
наряду с силами адсорбционной и электрической адгезии
оказывают большое влияние на стабильность свойств асфальтобетона из шлаковых материалов и их долговечность.
Высокая адсорбируемость и прочная адгезионная связь
в системе битум-шлаковый материал обусловлены также в
значительной степени возникновением надмолекулярных
структур с достаточно разветвленными и сильно взаимодействующими друг с другом цепями макромолекул. При этом
так же, как и в случае полимеров, взаимодействие хотя бы
одной макромолекулы надмолекулярной структуры (пачки)
45
приводит к адсорбции на поверхности всей пачки цепей макромолекул, связанной в единую структурированную сетку с
другими пачками цепей макромолекул. Реальность такой
трактовки формирования адгезионного контакта в системе
битум-шлак подтверждается строением битумной пленки на
шлаковой подложке, близким к структуре пленок полимеров.
2.3. ОБОСНОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
ПРИГОТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Л.Б. Гезенцвеем [23] показана роль механохимических
процессов при физико-химической активации минеральных
материалов и тем самым выявлена новая форма адсорбции
битума минеральными материалами. Поэтому следует ожидать усиления процессов структурообразования асфальтобетонных материалов везде, где происходит дробление. Работами С.И. Самодурова с участием автора [116, 117] показано,
что при разогреве гранулированного доменного шлака в последнем образуются свободные радикалы и наивысшая их
концентрация имеет место при разогреве материала до температуры 120-130 °С (рис. 2.1.5).
Рис. 2.1.5. Образование свободных радикалов в
гранулированном
доменном шлаке
Новолипецкого
металлургического комбината
в зависимости от
температуры его
разогрева.
Цифры на кривых – время прогрева материала,
мин.
46
Е.П. Железко и Б.Г. Печеный [45] установили, что свободные радикалы имеются и в битуме и наибольшая их концентрация имеет место при разогреве последнего до температуры 80-120 °С. Примерно при этой же температуре возникает
наибольшая концентрация свободных радикалов и в гранулированном доменном шлаке. Совпадение температуры образования максимального количества радикалов в шлаковом материале и битуме и их рекомбинация при перемешивании обусловливает высокую интенсивность хемоадсорбционных процессов на разделе фаз битум-минеральный материал.
При изготовлении асфальтобетона из природных каменных материалов минеральный материал к моменту объединения его с битумом разогревается до температуры 170180 °С, а вязкий битум – до 160-165 °С. Такой температурный режим обеспечивает качественное перемешивание битума с обезвоженным и разогретым минеральным материалом,
позволяет распределить битум на поверхности зерен равномерным слоем, способствует наиболее прочному сцеплению
битума с минеральным материалом и создает предпосылки
для формирования прочной и долговечной структуры асфальтобетона. Таким образом, надежность (долговечность)
асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации зависит в значительной степени от соблюдения технологии приготовления асфальтобетонных смесей.
В асфальтобетонных смесях на основе шлаковых материалов при общепринятых температурных режимах процесс старения битума происходит более интенсивно, чем в
битумоминеральных смесях, полученных на гранитном или
известняковом щебне. В качестве меры, снижающей влияние
термического старения битума, Л.Б. Гезенцвей рекомендует
применять менее вязкие битумы или вводить на 1-1,5% битума больше оптимального количества [23].
При кратковременном контактировании битума с разогретым до температуры 160-170 °С минеральным материалом
в момент их объединения химический состав и структура битума изменяются в большей степени, чем за весь срок служ47
бы его в асфальтобетонном покрытии, температура которого
в естественных условиях не превышает 70 °С.
Учитывая это, а также то, что прогрев битума в тонком
слое в течение 10 часов при температурах 40-120 °С практически не вызывает увеличения содержания асфальтенов, в то
время как при температуре 160 °С происходит интенсивное
асфальтенообразование, температурный режим приготовления асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов был
снижен до 110-130 °С.
Температурный режим приготовления асфальтобетона на
основе шлаковых материалов обоснован в ряде работ [116, 117,
120, 121] методами молекулярной спектроскопии, дифференциального термического анализа, ядерного магнитного резонанса
и растровой электронной (сканирующей) микроскопии.
Шлаковые материалы существенно отличаются от традиционных минеральных компонентов по своему химикоминералогическому составу и структурно-текстурным особенностям, благодаря которым шлаки обладают высокой химической активностью, обеспечивающей наряду с избирательной адсорбцией и хемосорбцию компонентов битума на
минеральной поверхности.
Известно, что при использовании активированных минеральных порошков, поверхностно-активных веществ [23] становится возможным значительное снижение температуры выпускаемой асфальтобетонной смеси на природных каменных материалах. Шлаковые материалы по особенностям свойств могут
быть приравнены к активированным минеральным материалам
с тем преимуществом, что модификация поверхности частиц
шлака происходит спонтанно в процессе производства, при их
длительном хранении, в ходе разогрева, в момент их перемешивания с битумом и в процессе эксплуатации покрытий.
В результате исследований установлено, что минеральный материал асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов к моменту объединения с битумом должен разогреваться до
температуры 110-130 °С, а битум – до рабочей температуры.
При разогреве минерального материала до температуры ниже
110 °С не достигается его полного обезвоживания, что ухудшает обволакивание битумом зерен шлака и снижает прочность
48
сцепления битума с поверхностью шлаковых материалов.
Повышение температуры нагрева свыше 130 °С приводит к интенсивной поликонденсации мальтеновой части битума. Смеси,
полученные при таком температурном режиме, становятся малопластичными, плохо уплотняются, на покрытии образуются
макро- и микротрещины, и оно начинает разрушаться с первых
же дней эксплуатации.
Ухудшение свойств асфальтобетона из шлаковых материалов, приготовленного при такой температуре, связано с
изменением химического состава и структуры битума, его
старением, что было подтверждено методами инфракрасной
спектроскопии.
В инфракрасном спектре поглощения асфальтобетонной смеси из гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината при температуре разогрева минерального материала к моменту перемешивания с
битумом до 110-130 °С (рис. 2.1.6), при частоте колебаний
1601 см-1 наблюдается широкая полоса поглощения, характерная для валентных колебаний бензольного кольца (ароматических соединений) [116].
Волновые числа, см
49
1
Рис. 2.1.6. Инфракрасные спектры поглощения асфальтобетонных
смесей из гранулированного шлака и битума БНД 60/90, приготовленных при температуре разогрева минерального материала:
1 – 100 °С; 2 – 130 °С; 3 – 160 °С
В то же время в инфракрасном спектре асфальтобетона
того же состава, но приготовленного при температуре разогрева шлакового песка до температуры 160 °С, такой полосы
не наблюдается. Эти исследования свидетельствуют о том,
что при температуре приготовления асфальтобетона на основе шлаковых материалов 110-130 °С происходит ослабление
термического старения битумов. Установленная закономерность распространяется на все шлаковые материалы.
Оптимальный температурный режим приготовления
асфальтобетонных смесей из гранулированных шлаков подтвержден был также методом ядерного магнитного резонанса
широких линий (рис. 2.1.7), термографического анализа (рис.
2.1.8) и растровой электронной микроскопии (рис. 2.1.9).
Рис. 2.1.7. Кинетика старения битума в зависимости от времени прогрева и вида минерального материала:
50
битум марки БНД 60/90 на гранулированном доменном шлаке Новолипецкого металлургического комбината при температуре прогрева:
1 – 160 °С; 2 – 120 °С;
битум марки БНД 60/90 на шлакопемзовом песке Новолипецкого металлургического комбината при температуре прогрева: 3 – 160 °С;
4 – 120 °С
Методом ядерного магнитного резонанса (рис. 2.1.7)
старение битума оценивали по графической зависимости: по
оси абсцисс откладывали время прогрева образца при заданной температуре, а по оси ординат – отношение амплитуды
производной сигнала ядерного магнитного резонанса эталонного образца к амплитуде производной сигнала поглощения
исследуемого материала (А/А0).
При наступлении старения амплитуда производной
сигнала ядерного магнитного резонанса исследуемого образца (А0) уменьшается и вследствие этого отношение А/А0 возрастает, кривая поднимается вверх. Момент поднятия кривой
вверх и показывает начало старения битума.
Как видно из рис. 2.1.7, при прогреве длительное время при температуре 120 °С старение битума не наблюдается,
в то время как при прогреве при температуре +160 °С кривая
поднимается вверх.
Методом термографического анализа (рис. 2.1.8) показано, что в смесях битума с гранулированным доменным шлаком в
интервале температур 110-130 °С обнаруживается эндотермический эффект, задерживающий переход битума в жидкую фазу.
Этот эффект обусловлен органоминеральными образованиями, возникающими при взаимодействии карбоксильных
групп битума с окислами кальция и магния, а также с продуктами гидратации шлаковых материалов. В то же время в образце
кварцевого песка, обработанного битумом, эндотермический
эффект не обнаруживается, что указывает на отсутствие хемосорбционных процессов на кварцевой минеральной подложке.
Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что пленка битума на поверхности гранулированного доменного шлака, разогретого к моменту перемешивания с битумом до температуры 160 °С, имеет бесструк-
51
турный вид, имеются разрывы битумной пленки, она теряет
свои эластические свойства (рис. 2.1.9, а).
Напротив, на поверхности гранулированного шлака,
разогретого к моменту перемешивания с битумом до температуры 120 °С, пленка битума обладает высокой эластичностью, строение ее упорядоченное и разрывы пленки отсутствуют (рис. 2.1.9, б).
Рис. 2.1.8. Термограммы асфальтобетонных смесей на битуме
марки БНД 60/90 и минеральном материале:
1 – гранулированный шлак; 2 – шлакопемзовый песок;
3 – кварцевый песок
Таким образом установлено, что минеральная часть
асфальтобетона из шлаковых материалов по своему химикоминералогическому составу и химической активности может
быть приравнена к активизированным минеральным материалам, что позволяет снизить температуру их разогрева.
Активация шлаковых материалов происходит самопроизвольно вследствие роста продуктов гидратации и воз52
никновении органоминеральных образований при взаимодействии шлакового материала с битумом. В установленном
интервале температур (110-130 °С) происходит наиболее интенсивное взаимодействие битума с модифицированной поверхностью шлакового материала. Переход битума из жидкого состояния в вязкое при температуре ниже 130 °С с возникновением органоминеральных новообразований приостанавливает проникновение битума в глубокие и сквозные поры
минеральной составляющей и обеспечивает формирование на
поверхности зерен высокопрочной структурированной оболочки битума, армированной тонкодисперсными продуктами
гидратации шлаковых материалов.
а
б
Рис. 2.1.9. Строение битумной пленки при температуре
разогрева шлакового материала до 160 °С (а) и до 130 °С (б)
2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ ПОРОВОГО
ПРОСТРАНСТВА ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
И АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ИХ ОСНОВЕ
Рядом исследований, проведенных в нашей стране и за
рубежом, установлено, что фазовые переходы воды в лед,
происходящие при замораживании бетонов и асфальтобетонов, могут вызывать процессы прямо противоположные: с
одной стороны, процессы разуплотнения структуры (дест53
руктивные процессы), с другой стороны, – процессы ее упрочнения (конструктивные процессы).
В настоящее время о деструктивных процессах капиллярно-пористых тел предложен ряд гипотез. Гипотеза об общем кристаллизационном давлении льда предложена Р. Коллинзом [140], который использовал предложения Табера о
причинах морозного пучения грунтов. Сущность этой гипотезы заключается в том, что разрушение строительных материалов происходит вследствие сегрегации льда внутри его
слоев, что вызывает давление растущих кристаллов льда в
полостях и пустотах бетона. Гипотеза о гидравлическом давлении льда предложена Пауэрсом [147]. Он исходит из того,
что до начала замораживания бетона его поверхностные слои
полностью насыщены водой; степень водонасыщения остальных внутренних слоев несколько ниже. Первоначально
замерзающая вода в поверхностных слоях бетона закупоривает поры, выходящие на поверхность материала. Последующее замерзание воды ведет к отжатию незамерзающей
воды внутрь образца. Так как отжимаемая вода перемещается
не свободно, а встречает сопротивление тонкопористой
структуры бетона, то в результате этого возникает гидравлическое давление, которое приводит к напряженному состоянию материала, последующему расширению и разрушению.
Проблема морозостойкости пористых кристаллизационных структур является одной из наиболее сложных как в ее
теоретической постановке, так и в изыскании практических
методов изготовления долговечных материалов такого типа.
При воздействии знакопеременных температур на пористые
строительные материалы миграция молекул адсорбирующей
жидкости в развивающиеся клиновидные микротрещины, по
П.А. Ребиндеру [107], осуществляется в основном не механизмом капиллярного впитывания жидкости в систему узких
пор и не путем гидравлического его отжатия замерзающей
водой, а под влиянием двухмерной миграции отдельных поверхностно-активных молекул. Это обеспечивает быстрое
проникновение адсорбционных слоев, так называемых понизителей твердости, в микрощели зоны предразрушения. В то
же время подача жидкости по крупным капиллярам к устьям
54
микрощелей, открытым в капилляры или узкие поры, происходит по законам гидродинамики и замедляется по мере перехода к более мелким капиллярам и порам.
Процесс разрушения пористых строительных материалов морозом можно представить следующим образом:
1) в первый период увлажнения материала происходит
втягивание воды капиллярным механизмом в наиболее крупные капилляры и трещины, имеющиеся в материале;
2) при понижении температуры вокруг увлажненного
образца наступает замерзание воды в поверхностных слоях; в
мелких капиллярах вода не замерзает даже при весьма низких температурах. Эта вода является понизителем твердости.
В каждый последующий цикл при понижении температуры снова возникают растягивающие напряжения. Молекулы воды мигрируют по стенкам микрощелей в глубину материала и постепенно все более понижают его прочность.
Трещины предразрушения, вызванные этими напряжениями,
получают дальнейшее развитие в виду концентрации расклинивающих напряжений в концевых участках.
Положительную роль с точки зрения морозостойкости
материала играют закрытые поры, которые устраняют высокие местные напряжения у концов трещин, понижают величину максимальных напряжений, которые особенно опасны в
хрупких материалах. Исследования В.В. Стольникова [130]
позволили установить, что морозостойкость в значительной
степени зависит от перемещения молекул воды в концевых
участках микрощелей, чем от замерзания воды в них.
В работах по морозостойкости бетонов отмечается, что
наряду с влажностью и степенью заполнения пор водой
большое влияние оказывает величина и характер пористости
материала [41, 95].
Исследования в области структур цементного и асфальтового бетонов дают новое представление о механизме
разрушения конгломератных структур при замораживании и
оттаивании водонасыщенных образцов. При охлаждении водонасыщенного асфальтобетона вследствие расширения битума при замерзании воды в его поровой структуре и сжатия
плотного заполнителя образуются макро- и микротрещины
55
на границах раздела заполнитель-вяжущее, вследствие чего
уменьшается поверхность сцепления вяжущего с заполнителем, и структура асфальтобетона ослабляется. Н.В. Михайлов
[94] отмечает, что для получения долговечного и, в первую
очередь, морозостойкого асфальтобетона структура его должна отвечать следующим требованиям: твердая фаза в бетоне
должна быть мелкозернистой и предельно однородной; поверхность раздела заполнителя с битумом должна быть сильно развита, а адгезия между ними должна быть предельно
высока; поровая структура должна быть минимальной по
объему, тонкокапиллярной, преимущественно с замкнутыми
порами. Последний вывод Н.В. Михайлова, по нашему мнению, справедлив лишь для инертных заполнителей. Применяя в качестве заполнителей гидравлически активные материалы (шлаковые), не удается достигнуть минимальной пористости вследствие особенностей строения порового пространства шлаковых заполнителей и асфальтобетонов на их
основе. В то же время шлаковые материалы мелкозернистые,
однородные, обладают высокоразвитой поверхностью и хорошей адгезией с битумом, т.е. налицо все элементы для создания морозостойких асфальтобетонов.
Минеральные зерна асфальтобетонных смесей, покрытые битумом, при уплотнении образуют трехфазную систему:
минеральный остов, битум, воздух. Воздух в асфальтобетоне
находится в межзерновых и внутризерновых порах. В любом
из пористых материалов капилляры в зависимости от своего
сечения с различной скоростью насыщаются влагой, по-разному удерживают ее.
Многообразие размеров пор, имеющихся в асфальтобетонных материалах, А.С. Колбановской и Н.В. Горелышевым
[82] условно сведено к следующим группам:
0
1. Микропоры радиусом до 50 A .
2. Переходные поры радиусом 50
3. Субмакропоры радиусом 500
0
A
0
A
- 3 мкм.
4. Макропоры радиусом 3 -50 мкм.
56
0
- 500 A .
По данным Л.М. Гохман [30], микропоры радиусом
0
менее 50 A не доступны для воды. Наличие в асфальтобетоне
переходных пор и субмакропор мельче 3 мкм мало влияет на
прочность, но резко снижает водоустойчивость [82].
Асфальтобетоны из шлаковых материалов характеризуются высокой пористостью как открытой, так и закрытой. Пористость этих материалов складывается из внутризерновой
замкнутой, межзерновой замкнутой и открытой межзерновой.
Шлаковые материалы имеют высокую пористость (табл. 2.4.1).
Таблица 2.4.1. Распределение пористости
в шлаковых материалах по фракциям
Наименование
шлакового
материала
Размер фракции материала, мм
Вид
5-2,5 2,5- 1,25- 0,63- 0,28- 0,14пористо1,25 0,63 0,28 0,14 0,071
сти
Пористость, % объема
Гранулированный общая
доменный
шлак
Новолипецкого
открытая
металлургического
закрытая
комбината
Шлакопемзовый общая
песок Новолипецкого металлурги- открытая
ческого комбината закрытая
Шлаковый песок общая
Новолипецкого
металлургического открытая
комбината
закрытая
21,33 17,17 11,33
8,13
5,47
4,29
3,86 5,26
1,95
1,44
0,81
0,48
17,47 11,91 9,38
5,67
4,66
3,81
26,28 21,10 16,34 12,77
9,7
7,4
12,84 10,58 6,67
5,87
3,80
2,33
13,44 10,57 9,67
6,90
5,90
5,07
13,31 9,18
5,85
3,97
3,24
2,71
5,35 5,87
2,78
1,29
0,89
1,09
7,96 3,31
3,07
2,68
2,3
1,62
Каждая фракция шлаковых материалов имеет свое распределение пористости на открытую и закрытую. Наибольшая общая пористость – у шлакопемзового песка, наименьшая – у шлакового песка; закрытая пористость больше у гранулированного шлака и меньше – у шлакового песка.
Представленные на рис. 2.4.1 снимки, выполненные на
сканирующем электронном микроскопе, позволяют говорить
57
о микро- и макропористой структуре шлаковых материалов с
преобладанием (до 80%) макропористой структуры.
Форма зерен и характер поверхности минерального
материала играют существенную роль в формировании оптимальной структуры асфальтобетонных материалов. Изометрично-угловатая форма частиц шлаковых материалов с
острыми углами способствует повышению деформационной
устойчивости. При перемешивании и уплотнении смесей на
основе таких материалов происходит прорыв тонких пленок
битума частицами шлака остроугольной формы с образованием тонких прослоек органического вяжущего.
3 мкм
1 мкм
0,3 мкм
58
Рис. 2.4.1. Изометрично-угловатая форма и поровое строение
шлакового песка Новолипецкого металлургического комбината
На рис. 2.4.2 представлена микрошероховатая поверхность гранулированного доменного шлака Новолипецкого
металлургического комбината, а на рис. 2.4.3, А, Б, В приведены ленточные надмолекулярные структуры в пленках натурального (А), полибутадиенового (Б) каучука [49] и разделение микрофаз в стекле SiO2 – Na2O – B2O3 (В) [151].
Можно провести аналогию между органическими линейными полимерами и многокомпонентными стеклами, где
роль низкомолекулярного растворителя играют ионы щелочных металлов.
4 мкм
1 мкм
Рис. 2.4.2. Микрошероховатая поверхность гранулированного
доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината
Электронно-микроскопические снимки структур неорганических стекол (рис. 2.4.3, В) по внешнему виду напоминают надмолекулярные структуры полимеров. Из фотографии, полученной при помощи электронного микроскопа,
59
видно, что пачки макромолекул полимеров намного длиннее
отдельных молекул. Это значит, что пачка может состоять из
многих рядов цепей, в которых молекулы расположены последовательно относительно друг друга, но так, что их концы
находятся в разных местах пачки.
Поэтому макромолекулы связаны одна с другой в одно
целое, и их индивидуальный характер в значительной степени
утрачивается [4]. Не проводя далекой аналогии в сходстве
структур органических полимеров и неорганических стекол,
можно все же предположить, что строение шлакового стекла
ленточное (см. рис. 2.4.2). Ленточное строение шлакового стекла предопределяет, по нашему мнению, и ленточное строение
битумной пленки на поверхности шлакового материала.
60
A
Б
0,3мкм
0,1 мкм
В
В
0,3мкм
1 мкм
Рис. 2.4.3. Ленточные надмолекулярные структуры в пленках
каучуков и разделение микрофаз в стекле:
А – натуральный каучук; Б – полибутадиеновый каучук;
В – ленточное строение стекла
Пористая и микрошероховатая поверхность зерен
шлаковых материалов является определяющим фактором,
способствующим возникновению прочного адгезионного
контакта между минеральным и органическим материалом.
61
Особенности строения порового пространства, установленные при помощи сканирующей электронной микроскопии,
свидетельствуют о возможности как избирательной диффузии компонентов битума в тонкие поры, так и внедрения битума в крупные поры без изменения его состава.
Наличие замкнутых шарообразных пор в шлаковых
материалах повышает морозостойкость асфальтобетона, что
согласуется с данными С.В. Шестоперова [138].
В структуре и текстуре заполнителя асфальтобетонных
материалов, подвергающихся внешним силовым воздействиям, наблюдается образование упорядоченных ориентировок
отдельных минералов, двойникование, скольжение дислокаций и объединение их в микротрещины, а также больших
групп микротрещин [85].
На рис.2.4.4 приводятся снимки шлаковых материалов,
полученные при помощи электронной сканирующей микроскопии. По нашему мнению, полученные данные позволяют считать, что применение шлаковых материалов в асфальтобетонных
смесях интенсивному развитию протяженных микротрещин будет препятствовать как наличие шарообразных пор, снижающих
напряжения в устьях микротрещин, так и эффект взаимодействия трещин между собой, описанный в работе Н.В. Михайлова
[85].
1 мкм
3 мкм
0,3 мкм
Рис. 2.4.4. Характер развития микротрещин в зернах
шлакового материала
62
Таким образом, уже поровое строение шлаковых материалов и характер микрошероховатости (ленточное строение
шлакового стекла) способствуют созданию асфальтобетонных материалов, обладающих достаточной надежностью при
воздействии знакопеременных температур.
Значительную роль в обеспечении высокой морозостойкости асфальтобетонных материалов покрытий автомобильных дорог играет структура порового пространства как
открытого, так и закрытого, а также коэффициент заполнения
пор водой.
Нами проведены исследования пористости и водонасыщения асфальтобетона из шлаковых материалов (гранулированного доменного шлака, шлакопемзового и шлакового
песков Новолипецкого металлургического комбината и вязких битумов марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130) в зависимости от содержания вяжущего и величины уплотняющей нагрузки с использованием математического метода
планирования экстремальных экспериментов (ММПЭЭ). Был
использован трехуровневый план проведения экспериментов
с двумя переменными (табл. 2.4.2). Условия планирования
приведены в таблицах 2.4.3 и 2.4.4.
Таблица 2.4.2. Трехуровневый план проведения
экспериментов второго порядка при числе факторов
k = 2 (N = N 1 + Nα + n0)
Матрица
ВзаимодейстКвадраты
№
планирования (x i )
вие (xi xj)
переменных (xi2) Свойства
опыта
(выход) yi
2
2
x1
x2
x1 x2
x1
x2
1
+
+
+
+
+
N1 2
+
–
–
+
+
3
–
+
–
+
+
4
–
–
+
+
+
5
+
0
0
+
0
N 6
–
0
0
+
0
7
0
+
0
0
+
8
0
–
0
0
+
9
0
0
0
0
0
n0 10
0
0
0
0
0
11
0
0
0
0
0
63
Таблица 2.4.3. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из гранулированного доменного шлака и шлакового песка
в зависимости от содержания битума и степени уплотнения
Факторы
Условия
Верхний уровень
Нижний уровень
Основной уровень
Шаг варьирования
Физическое значение
переменных
Х1 – уплот- Х2 – содержание
няющая на- битума в смеси, %
грузка, (сверх 100% минеМПа
ральной части)
в
50
11
Хi
н
10
7
Хi
0
Хi
30
9
i
20
2
Кодированное значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
Таблица 2.4.4. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлакопемзового песка в зависимости от содержания
битума и степени уплотнения
Факторы
Условия
Верхний уровень
Нижний уровень
Основной уровень
Физическое значение
переменных
Х1 – уплот- Х2 – содержание
няющая на- битума в смеси, %
грузка, (сверх 100% минеМПа
ральной части)
в
50
13
Хi
н
10
9
Хi
0
Хi
30
11
Кодированное значение
переменных
x1
x2
+1
–1
0
+1
–1
0
i
20
2
Интервалы варьирования переменных были назначены
на основе предварительных поисковых исследований.
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
Х  300
Х  9
для таблицы 2.4.3: x1  1
, x2  2
,
200
2
Х  300
Х  11
для таблицы 2.4.4: x1  1
, x2  2
.
200
2
Шаг варьирования
64
В результате проведения эксперимента и обсчете матрицы планирования получены математические модели изменения пористости асфальтобетона из шлаковых материалов в
зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума
в смеси (табл. 2.4.5).
Анализ математических моделей позволяет установить:
1) с увеличением содержания битума в смеси и степени
уплотнения пористость асфальтобетона из шлаковых материалов
уменьшается. На величину остаточной пористости большее влияние оказывает уплотняющая нагрузка, чем содержание битума в
асфальтобетоне (коэффициенты при x1 больше, чем при x2);
2) асфальтобетоны из шлаковых материалов обладают
большой остаточной пористостью. В зависимости от вида вяжущего, его содержания в смеси, вида шлакового материала и
уплотняющей нагрузки остаточная пористость изменяется в
пределах от 16,5 до 43%, в то время как для песчаного асфальтобетона остаточная пористость не должна превышать 22%.
Установив ранее высокую адгезию битума к шлаковым
материалам, пониженное старение битума, диффузию компонентов и самого битума в поры шлакового материала, характер пористости и эффект взаимодействия трещин, наличие
замкнутых шарообразных пор не следует опасаться малой
морозостойкости асфальтобетона из шлаковых материалов
при воздействии знакопеременных температур;
3) увеличение марочной вязкости битума приводит к
уменьшению остаточной пористости асфальтобетона из шлаковых материалов (рис. 2.4.5). Это, по нашему мнению, еще
раз подтверждает приемлемость диффузной теории адгезии в
асфальтобетоне из шлаковых материалов.
При менее вязком битуме усиливается диффузионный
процесс мальтеновой части битума в поры шлакового материала. Заполненные маслами поры при уплотнении асфальтобетона приводят к меньшей дробимости шлакового материала, так как способны воспринимать давление.
65
66
Битум марки
БНД - 40/60
Битум марки
БНД - 90/130
Битум марки
БНД - 60/90
30,82
1
29,94
29,71
23,41
23,95
24,98
24,24
24,61
20,93
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Рис. 2.4.5. Изменение пористости асфальтобетона, уплотненного нагрузкой 30 МПа, при содержании битума разной вязкости в количестве 9 %:
1– шлакопемзовый песок; 2 – гранулированный доменный шлак;
3 – шлаковый песок
Пленка битума на поверхности шлаковых материалов
отощается маслами и становится более упругой, в силу чего
сблизить частицы шлака до контактирования структурированных оболочек не удается. При применении более вязкого
битума микропоры перекрываются асфальтенами, и масла не
имеют возможности диффундировать в шлаковый материал,
поры заполнены воздухом и более подвержены дроблению,
чем в случае заполнения их маслами. Пленка битума на материале становится толще, а свободный битум заполняет пустоты между зернами. Аналогичные явления наблюдаются у
всех асфальтобетонов на шлаковых материалах;
4) повышенная пористость асфальтобетона из шлаковых материалов должна обусловить малый коэффициент теплопроводности, а в результате и незначительный коэффициент линейного температурного расширения. На уменьшение
теплопроводности пористых материалов указывается в работе [50], а снижение коэффициента линейного температурного
расширения у пористого асфальтобетона обосновано Л.Б. Гезенцвеем [23]. Проведенные исследования коэффициента линейного температурного расширения асфальтобетона из шлаковых материалов показали, что он в 1,5-2 раза меньше, чем у
песчаного асфальтобетона. Перечисленные выше факторы
должны способствовать повышению надежности асфальтобе67
тонных покрытий из шлаковых материалов при воздействии
знакопеременных температур.
По полученным математическим моделям (табл. 2.4.5)
построены номограммы изменения пористости асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от содержания
битума и уплотняющей нагрузки (рис. 2.4.6). Эти данные относятся к общей остаточной пористости, но не характеризуют распределение пористости на открытую и закрытую, а
также не видно из этих данных, какова степень заполнения
пор водой.
Разделение пористости на открытую и закрытую условно можно принять по величине водонасыщения, которая
будет характеризовать открытую пористость асфальтобетона
из шлаковых материалов. Для выяснения изменения водонасыщения от тех же факторов, что и пористость, применен
ММПЭЭ (условия планирования и матрица планирования
приведены в таблицах 2.4.2-2.4.4).
При обсчете матрицы планирования разработаны математические модели водонасыщения асфальтобетонов из
шлаковых материалов в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума в смеси (табл. 2.4.6).
Анализ составленных математических моделей позволил установить:
1) с увеличением содержания битума в смеси и степени уплотнения водонасыщение асфальтобетона из шлаковых
материалов уменьшается. На величину водонасыщения
большее влияние оказывает уплотняющая нагрузка, чем содержание битума в асфальтобетоне (коэффициенты при x1
больше, чем при x2);
2) асфальтобетоны из шлаковых материалов обладают
большим водонасыщением по сравнению с асфальтобетоном
из природных материалов; в зависимости от вида вяжущего,
его содержания в смеси, вида шлакового материала и уплотняющей нагрузки водонасыщение изменяется в пределах от
4,5 до 28,5%, в то время как для пористого асфальтобетона
водонасыщение не должно превышать 10%;
68
2
Содержание битума в смеси, %
Содержание битума в смеси, %
1
11
17
10
18
19
24
9
25
27
20
23
22 21
26
8
28
7
10
20
30
40
50
11
10
20
26
31
30
8
27
23
29
32
33
28
7
10
20
30
Содержание битума в смеси, %
Содержание битума в смеси, %
20
24
9
22
29
21
23
26
30
27
31
8
32
33
7
10
20
30
40
50
Уплотняющая нагрузка, МПа
11
23
24
10
28 27 26
34
22
29
18
21
25
31
32
8
28
33
34
7
10
20
30
40
50
Соде ржание битума в смеси, %
Содержание битума в смеси, %
10
9
19
20
2423
26
30
29
33
35
8
32
36
37
7
10
20
30
40
50
Уплотняющая нагрузка, МПа
6
11
30
25
31
9
5
27
50
4
11
28
40
Уплотняющая нагрузка, МПа
3
25
21
24
9
Уплотняющая нагрузка, МПа
10
22
25
Уплотняющая нагрузка, МПа
11
25
35
10
32
36
9
33
34
37
38
8
39
40
41
7
10
31
20
29 28 27 26
30
30
40
50
Уплотняющая нагрузка, МПа
69
7
8
Сод ержание битума в смеси, %
9
11
21
25
10
19
18
24
28
26
29
27
23
20
9
8
22
30
31
32
33
7
10
20
30
40
50
Уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 2.4.6. Номограммы для определения пористости
асфальтобетонов:
1,2,3 – из гранулированного доменного шлака и битумов марок
соответственно БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130;
4,5,6 – из шлакопемзового песка и битумов марок соответственно БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130;
7,8,9 – из шлакового песка и битумов марок соответственно
БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130
70
71
3) увеличение марочной вязкости битума приводит к
уменьшению водонасыщения асфальтобетона из шлаковых
материалов.
Это, по нашему мнению, еще раз подтверждает приемлемость диффузной теории адгезии к асфальтобетону из
шлаковых материалов (рис. 2.4.7).
Битум марки
БНД - 40/60
Битум марки
БНД - 60/90
Битум марки
БНД - 90/130
18,36
17,56
17,31
12,44
11,37
1
2
3
1
14,14
13,98
12,16
11,98
2
3
1
2
3
Рис. 2.4.7. Изменение водонасыщения асфальтобетона, уплотненного
нагрузкой 30 МПа, при содержании битума разной вязкости
в количестве 9%:
1 – гранулированный доменный шлак; 2 – шлакопемзовый песок;
3 – шлаковый песок
По полученным математическим моделям (табл. 2.4.6)
построены номограммы изменения водонасыщения асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки (рис. 2.4.8).
Приведенные номограммы имеют не только теоретический интерес, но и большой практический – для ускоренного
контроля степени уплотнения и содержания вяжущего в смеси.
Повышенное водонасыщение асфальтобетона из шлаковых материалов не является признаком их малой морозостойкости. Существенное влияние на морозостойкость оказывает степень заполнения пор материала водой (табл. 2.4.7).
Как видно из этой таблицы, коэффициент заполнения пор водой в зависимости от степени уплотнения и содержания битума колеблется в пределах от 0,27 до 0,68 в зависимости от
вида шлакового материала.
72
1
2
3
4
5
6
73
8
11
Содержание битума в смеси, %
Содержание битума в смеси, %
7
7
8
9
10
10
14
11
9
13
12
15
8
17
16
18
7
10
19
20
30
40
50
11
7
11
10
8
12
15
9
10
13
16
14
17
8
20 19 18
7
10
21
20
30
40
50
Уплотняющая нагрузка, МПа
Уплотняющая нагрузка, МПа
9
Рис. 2.4.8. Номограммы для определения водонасыщения асфальтобетонов:
1,2,3 – из гранулированного доменного шлака и битумов марок
соответственно БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130;
4,5,6 – из шлакопемзового песка и битумов марок соответственно БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130;
7,8,9 – из шлакового песка и битумов марок соответственно
БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130
Остальные поры – замкнутые, не доступные для воды
и они являются упругими компенсаторами усилий, возникающих при замерзании воды. Тем более не вся находящаяся
в порах асфальтобетона из шлаковых материалов вода замерзает и переходит в лед.
74
Таблица 2.4.7. Влияние уплотняющей нагрузки, марки битума
и его содержания на коэффициент заполнения пор водой
асфальтобетона из шлаковых материалов НЛМК
Наименование
Содержание
Марка
шлакового
битума в
битума
материала
смеси, %
7
8
БНД
9
40/60
10
11
7
Гранулиро8
ванный
БНД
9
доменный
60/90
10
шлак
11
7
8
БНД
9
90/130
10
11
7
8
БНД
9
40/60
10
11
7
8
Шлакопемзо- БНД
9
вый песок
60/90
10
11
7
8
БНД
9
90/130
10
11
7
Шлаковый
БНД
8
песок
40/60
9
10
75
Уплотняющая нагрузка, МПа
10
0,57
0,61
0,62
0,59
0,52
0,57
0,57
0,56
0,54
0,56
0,56
0,53
0,52
0,54
0,56
0,67
0,62
0,59
0,57
0,58
0,63
0,63
0,62
0,60
0,57
0,67
0,65
0,67
0,68
0,70
0,64
0,62
0,60
0,63
20
0,55
0,58
0,58
0,54
0,45
0,53
0,62
0,60
0,56
0,52
0,57
0,54
0,51
0,51
0,55
0,67
0,63
0,59
0,58
0,60
0,61
0,61
0,60
0,58
0,55
0,65
0,64
0,63
0,63
0,63
0,61
0,59
0,55
0,58
30
0,53
0,55
0,54
0,49
0,39
0,62
0,61
0,50
0,52
0,45
0,58
0,53
0,49
0,48
0,50
0,66
0,61
0,58
0,57
0,59
0,60
0,60
0,59
0,57
0,53
0,62
0,61
0,60
0,58
0,57
0,58
0,55
0,51
0,53
40
0,52
0,54
0,52
0,45
0,33
0,62
0,59
0,53
0,46
0,37
0,57
0,51
0,45
0,43
0,43
0,63
0,58
0,55
0,49
0,55
0,59
0,58
0,57
0,55
0,52
0,61
0,59
0,56
0,54
0,52
0,55
0,51
0,47
0,47
50
0,52
0,53
0,50
0,42
0,28
0,60
0,56
0,48
0,39
0,27
0,56
0,48
0,41
0,37
0,34
0,55
0,52
0,48
0,47
0,48
0,58
0,57
0,56
0,53
0,50
0,60
0,57
0,54
0,50
0,47
0,53
0,48
0,42
0,52
Температура замерзания воды в материале зависит
главным образом от диаметра пор и характера их поверхности, которая влияет на искажение свойств воды в тонких
пленках. Нами проведено исследование распределения объема пор по их размерам с использованием метода ртутной порометрии. По исходным данным построены дифференциальные кривые распределения пор в материале.
На рис. 2.4.9 представлены дифференциальные кривые
асфальтобетона из шлаковых материалов на вязком битуме
марки БНД 60/90, а минеральная часть состоит из гранулированных доменных шлаков Челябинского, Череповецкого металлургических комбинатов и металлургического комбината
«Свободный Сокол», уплотненных давлением 40 МПа. Анализируя кривые распределения пор, можно заметить, что
наибольший объем имеет диаметр порядка 5-11 мкм, наблюдаются также пики при диаметрах 20-30 мкм и 100-200 мкм.
Было проведено исследование влияния уплотняющей
нагрузки на распределение пор в асфальтобетонной смеси на
основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого
металлургического комбината и битума марки БНД 60/90 в
количестве 9% (рис. 2.4.10). Уплотняющую нагрузку изменяли от 10 до 50 МПа. При увеличении уплотняющей нагрузки
уменьшается объем пор больших диаметров (30-300 мкм) и
увеличивается объем пор диаметром 3-30 мкм. По классификации А.С. Колбановской открытая пористость асфальтобетона из шлаковых материалов характеризуется макропористостью.
Экспериментально установлено, что температура замерзания воды в стеклянных трубках радиусом 72, 29, 11 и
1 мкм [95] составила соответственно –13,4; –17,8; –30 и –
36 °С, а в капиллярах радиусом 0,07 мкм температура замерзания оказалась ниже – –65 °С. В проведенном эксперименте
вода в стеклянных капиллярах находится в слабосвязанном
состоянии, в реальных условиях вода в тонких пленках переходит в ориентированное состояние под влиянием поверхности пор, а, как известно, искажение структуры воды является
кинетическим препятствием, затрудняющим процессы ее
кристаллизации.
76
Рис. 2.4.9. Дифференциальные кривые распределения объема пор по
диаметрам в асфальтобетонных смесях, уплотненных давлением
40 МПа, составов:
1 – гранулированный
доменный шлак комбината «Свободный Сокол» – 100%, битум
марки БНД 60/90 – 9%;
2 – гранулированный
доменный шлак Череповецкого металлургического комбината –
100%, битум марки БНД
60/90 – 9%;
3 – гранулированный
доменный шлак Челябинского металлургического
комбината
–
100%, битум марки БНД
60/90 – 9%
Рис. 2.4.10. Дифференциальные кривые распределения объема пор
по диаметрам в асфальтобетонной смеси состава: гранулированный
доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината –
100%, битум марки
БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых –
уплотняющая нагрузка, МПа
77
Исследованиями с помощью «температурного скачка»
установлено [58], что в асфальтобетоне из шлаковых материалов замерзает от 50 до 70% воды, находящейся в порах.
На рис. 2.4.11 представлено количество льда, находящегося в
материале при разной температуре замораживания в зависимости от водонасыщения образца. Видимо, что только 70%
воды находится в кристаллическом состоянии, а остальная
вода находится под влиянием поверхности пор.
Рис. 2.4.11. Кинетика
образования льда в
порах асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от водонасыщения и температуры охлаждения.
Цифры на кривых –
водонасыщение, %
объема
Резюмируя вышеизложенное, можно сделать обобщающие выводы о влиянии порового строения асфальтобетона из шлаковых материалов на морозостойкость.
Пористая структура шлаковых материалов, характеризуемая наличием шарообразных замкнутых пор, является
микроамортизатором возникающих напряжений при замораживании материала. Однородность (по гранулометрическому
и минералогическому составу) ослабляет развитие микротрещин между минеральным и органическим материалом.
Характер открытой пористости способствует не только избирательной диффузии битума в поры шлаковых материалов,
но и диффундированию битума в поры материала без изменения его группового состава, что создает предпосылки для
упрочнения шлаковых зерен вследствие их армирования битумом. Изометрично-угловатая форма зерен шлаковых материалов, ленточное строение шлакового стекла обеспечивает и
78
упорядоченное строение битумной пленки, аналогичной
строению полимеров.
Характер распределения пористости асфальтобетона
из шлаковых материалов на открытую и закрытую, незначительный коэффициент заполнения пор водой обусловливают
малые деструктивные процессы при замораживании.
Дифференциальное распределение пор показывает, что
наибольший объем в асфальтобетоне из шлаковых материалов
имеют поры диаметром 7-30 мкм, поэтому трудно ожидать, что
при реальных температурах вода в этих порах замерзнет.
2.5. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТОБЕТОНА
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Оптимальная структура асфальтового бетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходимой прочностью, с которой сочетаются достаточная деформативная способность материала при отрицательных температурах и требуемая коррозионная устойчивость. Оптимальное содержание битума в асфальтобетонных материалах следует назначать с учетом их морозостойкости. Вопрос о соотношении
свободного и структурированного битума является центральным вопросом теории прочности и долговечности асфальтобетонных материалов. Повышенное содержание битума снижает сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий при
положительных температурах.
Определение оптимального содержания битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов без учета воздействия
знакопеременных температур проводили математическим методом планирования экстремальных экспериментов (ММПЭЭ).
Формирование асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов продолжается длительное время с момента устройства.
Средняя плотность асфальтобетона из шлаковых материалов в
начальный момент эксплуатации соответствует средней плотности образца, сформированного уплотняющей нагрузкой на
гидравлическом прессе давлением 10-17 МПа, в последующий
период эксплуатации средняя плотность асфальтобетона в покрытии достигает средней плотности образца, уплотненного
79
давлением 25-30 МПа. Поэтому уплотняющая нагрузка вошла в
план эксперимента независимой переменной.
Шлаковые материалы – хрупкие и высокопористые,
при уплотнении происходит дробление зерен по линии наименьшего сопротивления. Зерновой (гранулометрический)
состав шлаковых материалов в исходном состоянии не удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-97. После уплотнения асфальтобетона из шлаковых материалов давлением 10, 20, 30,
40, 50 МПа и последующего экстрагирования битума гранулометрический состав оптимизируется и удовлетворяет требованиям стандарта на плотные смеси (табл. 2.5.1). Разрушение части зерен шлаковых материалов происходит по наиболее ослабленным зонам при сравнительно высоких напряжениях. Это приводит к повышению среднестатистической
прочности за счет ликвидации дефектов структуры, происходящих при уплотнении и дроблении шлаковых материалов.
Дробление зерен шлаковых материалов приводит к
увеличению общей поверхности и, следовательно, оптимальное содержание битума будет изменяться от величины уплотняющего давления. Поэтому при проведении эксперимента варьировали содержание битума в смеси и величину уплотняющего давления. Был использован трехуровневый план
второго порядка двухфакторного эксперимента.
Условия планирования и матрица эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
в зависимости от содержания битума и степени уплотнения
приведены в таблицах 2.4.2-2.4.4. В результате реализации
эксперимента и обсчета матрицы планирования получены
математические модели предела прочности при сжатии асфальтобетона из шлаковых материалов при температуре
20 °С в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания
битума марок БНД 40/60; БНД 60/90 и БНД 90/130.
Математические модели приведены в таблице 2.5.2, а
их графическая интерпретация – на рис. 2.5.1-2.5.3.
Говоря об оптимальном содержании битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов по пределу прочности при
сжатии, следует констатировать тот факт, что этот показатель
крайне условный.
80
81
82
83
Рис. 2.5.1. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона
из гранулированного шлака от уплотняющей нагрузки и содержания
битума марки: А – БНД 40/60; Б – БНД 60/90; В – БНД -90/130.
Образцы испытаны в возрасте 2 сут., цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 2.5.2. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона
из шлакового песка от уплотняющей нагрузки и содержания битума
марки: А – БНД 40/60; Б – БНД 60/90; В – БНД -90/130.
Образцы испытаны в возрасте 2 сут., цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 2.5.3. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона
из шлакопемзового песка от уплотняющей нагрузки и содержания битума марки: А – БНД 40/60; Б – БНД 60/90; В – БНД -90/130.
Образцы испытаны в возрасте 2 сут., цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
84
Для подтверждения этого были испытаны те же асфальтобетоны на основе гранулированного доменного шлака,
шлакового песка и битума марки БНД 90/130 в возрасте 360
суток. В таблице 2.5.2 и на рис. 2.5.4, (А) приведены математические модели и их графическая интерпретация изменения
предела прочности при сжатии при температуре 20 °С.
А
2, 2
50
40
0
2, 0
30
1, 8
50
20
1, 6
1, 4
1, 2
20
40
30
10
1, 0
10
0,8
0,6
3, 5
8
9
50
3, 2
40
2, 9
50
2, 6
40
2, 3
2, 0
30
30
1, 7
20
20
1,4
10
1, 1
0,8
0,4
0,2
7
Б
3, 8
Предел прочности при сжатии +20 С, МПа
0
Предел прочности при сжатии +20 С, МПа
2, 4
10
0,5
10
11
7
8
Содержание битума в смеси, %
9
10
11
Рис. 2.5.4. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона на
гранулированном доменном шлаке (А) и шлаковом песке (Б) в зависимости от уплотняющей нагрузки и содержания битума марки БНД -90/130:
— – образцы испытаны в возрасте 360 сут., - - - – образцы испытаны
после натурного замораживания. Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Как видим, при испытании в этом возрасте не наблюдается максимума прочности. Это еще раз подтверждает, что
процессы структурообразования в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются длительное время с момента
изготовления и определяющую роль, по нашему мнению, в
этом случае играет диффузия как отдельных компонентов,
так и битума без изменения его группового состава в поры
шлакового материала. Был проведен эксперимент по изучению влияния натурного замораживания на структурномеханические свойства в зависимости от содержания битума,
уплотняющей нагрузки и вида шлакового материала. Исполь85
зовали в качестве минеральных составляющих гранулированный доменный шлак и шлаковый песок Новолипецкого
металлургического комбината.
С этой целью отформованные в лаборатории образцы
разместили под открытым небом, хранили в течение одного
года на уровне 1 м от поверхности земли и затем испытали.
Параллельно часть образцов хранили в комнатных условиях
при температуре 20 °С в качестве эталонных.
Матрица планирования и условия проведения эксперимента приведены в таблицах 2.4.2 и 2.4.3. Математические
модели изменения предела прочности при сжатии при температуре 20 °С даны в таблице 2.5.2, а графическая интерпретация математических моделей – на рис. 2.5.4.
Анализ математических моделей показал, что не наблюдается максимума прочности при варьировании содержания битума от 7 до 11%. У асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического завода прочность при сжатии монотонно повышается с
увеличением содержания битума, а у асфальтобетона на основе шлакового песка прочность увеличивается интенсивно
при содержании битума до 9%, затем интенсивность нарастания прочности замедляется. Это объясняется повышенной
гидравлической активностью гранулированного доменного
шлака по сравнению со шлаковым песком.
Приведенные данные коэффициента морозостойкости
асфальтобетона после натурного замораживания (табл. 2.5.3)
показывают, что асфальтобетоны на основе гранулированного шлака с повышением уплотняющей нагрузки монотонно
понижают прочность, а с увеличением содержания битума
коэффициент морозостойкости повышается. Асфальтобетоны
на основе шлакового песка с увеличением содержания битума в смеси с ним становятся морозоустойчивее; с повышением уплотняющей нагрузки коэффициент морозостойкости
возрастает до определенного предела, а затем снижается.
Причем максимальное значение коэффициента морозостойкости с увеличением содержания битума в смеси наблюдается при меньшей уплотняющей нагрузке.
86
Таблица 2.5.3. Влияние содержания битума и уплотняющей
нагрузки на коэффициент морозостойкости асфальтобетона
после натурного замораживания
Состав минеральной части
асфальтобетона
Гранулированный доменный
шлак Новолипецкого металлургического
комбината
Шлаковый песок
Новолипецкого
металлургического комбината
Содержание
битума марки
БНД 90/130 в
смеси, %
Уплотняющая нагрузка, МПа
10
20
30
40
50
Коэффициент морозостойкости
7
8
9
10
0,81
0,79
0,81
0,86
0,73
0,73
0,76
0,80
0,70
0,70
0,73
0,77
0,67
0,68
0,71
0,75
0,64
0,66
0,70
0,74
11
0,95
0,86 0,82 0,79
0,79
7
8
9
10
11
0,67
0,67
0,69
0,73
0,78
0,89
0,84
0,83
0,88
0,89
0,87
0,77
0,75
0,73
0,73
0,92
0,87
0,85
0,84
0,86
0,88
0,84
0,81
0,80
0,81
Аналогичные результаты получены с применением
ультразвуковых методов испытания на тех же образцах того
же состава. По скорости распространения ультразвуковых
колебаний можно определить оптимальное содержание битума. Условия планирования и матрица эксперимента по изучению скорости распространения ультразвука в асфальтобетоне из гранулированного доменного шлака в зависимости от
содержания битума и степени уплотнения даны в таблицах
2.4.2, 2.4.3.
В таблице 2.5.4 приведены математические модели
изменения скорости ультразвуковых волн, а на рис. 2.5.5 – их
графическая интерпретация.
Таким образом, уже без учета воздействия знакопеременных температур в асфальтобетоне из шлаковых материалов понятие об оптимальном содержании битума теряет всякий смысл. По нашему мнению, следует рассматривать этот
вопрос с позиции «оптимально необходимого» содержания
битума в смеси для обеспечения как морозоустойчивости, так
и деформативной способности при отрицательных температурах.
87
88
Рис. 2.5.5. Изменение скорости ультразвука от содержания битума в
смеси и уплотняющей нагрузки в асфальтобетоне на основе гранулированного доменного шлака НЛМК и битума марки БНД 90/130
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
2.6. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ ОТ СОСТАВОВ
АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Асфальтобетонные покрытия принадлежат к инженерным сооружениям, работающим в нестационарном температурном режиме как в годовом, так и в суточном цикле. Нестационарные температурные процессы, протекающие в покрытии, повторяясь многократно в определенные периоды
года на протяжении ряда лет, приводят к необратимым
структурным изменениям.
Вопросам изучения теплопроводности асфальтобетонных материалов посвящены работы И.А. Рыбьева, К.Ф. Фокана,
Я.Н. Ковалева и других. В первых работах отсутствовали сколько-нибудь систематизированные данные сведений по теплофизическим характеристикам асфальтобетона. Авторы приводили
показатели теплофизических свойств без указания вида и гранулометрии асфальтового бетона. В работе Я.Н. Ковалева приведены результаты исследований коэффициентов теплопровод89
ности среднезернистых, мелкозернистых и песчаных асфальтобетонов. Так, для среднезернистых асфальтобетонов коэффициент теплопроводности колеблется в пределах 0,710,95 ккал/м·°С·ч, для мелкозернистых – 0,81-1,08 ккал/м·°С·ч,
для песчаного асфальтобетона – 1,34 ккал/м·°С·ч. Однако, как
отмечают сами авторы, примененная ими методика определения теплопроводности отличается сложностью, и они рекомендуют разработать единую методику, которая характеризовалась
бы простотой аналитических вычислений [79].
В.М. Бушмакина и И.А. Рыбьев исследовали теплофизические свойства асфальтового бетона и установили, что они
зависят от направления теплового потока, а также от соотношения битум-минеральный порошок [112]. Но мы не согласны
с выводами авторов, что для повышения долговечности покрытий приемлем более теплопроводный, обеспечивающий равномерное распределение температур верхнего и нижнего слоя
покрытия, асфальтобетон. Мы считаем, что менее теплопроводный асфальтобетон будет более морозоустойчивым и трещиностойким, при резком колебании температур. В этом случае время релаксации теплового потока, время релаксации
температурных напряжений будет увеличиваться, а скорость
деформирования такого асфальтобетона снизится и температурные деформации, возникающие при этом, станут меньше.
На это указывает также и Л.Б. Гезенцвей [23], что чем выше
скорость охлаждения асфальтобетона, тем больше коэффициент линейного температурного расширения и ниже трещиностойкость покрытий. Знание теплопроводности конструктивных слоев дорожных одежд допускает не только прогнозировать трещиностойкость покрытий, но и позволит теоретически
обоснованно проектировать дорожные одежды в теплотехническом отношении, дает возможность правильно влиять на
водно-тепловой режим земляного полотна.
Коэффициент теплопроводности асфальтовых бетонов
– величина непостоянная, он зависит как от крупности скелетных фракций и соотношения битум-минеральный порошок, так и от вида минерального наполнителя, содержания
битума в смеси, степени уплотнения, пористости. Для асфальтобетонных материалов влияние этих факторов на ко90
эффициент теплопроводности не изучалось. В действующем
нормативном документе [102] приведены усредненные коэффициенты теплопроводности асфальтобетона в зависимости
от плотности, без учета остальных факторов.
Применение асфальтобетона из шлаковых материалов
в покрытиях автомобильных дорог вызывает необходимость
изучения теплофизических свойств с целью грамотного конструирования и проектирования дорожных одежд.
В связи с этим особого внимания заслуживает работа
И.А. Золотаря [43] по исследованию теплопроводности гравийных и подобных материалов. И.А. Золотарем была выведена теоретическая формула для определения коэффициента
теплопроводности грунтогравийных материалов, которую
можно применить и к другим многокомпонентным системам
и, в частности, к асфальтобетону из шлаковых материалов.
Положив в основу предпосылки, предложенные
И.А. Золотарем для гравийных материалов (асфальтобетон
рассматривается как система с определенной пористостью,
состоящая из гранул шлака и битума; все зерна шлака имеют
одинаковый, так называемый эффективный диаметр), и используя его методику, нами получена формула для определения коэффициента теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов [113, 114]:
при
 =
 =
 >0
Sin ( б  в )

12Sin  1 (1  k )(1  Sin )
1 
1


ln

1  4Sin(1  Sin )
2  (1   )

1
2Sin  1) 
1 
при  < 0
,
Sin (б  в )
 

1 
arctg 
2Sin  1)   (1  k )(1  Sin )
  (1   )
 1 
 1  4Sin (1  Sin )
91
(1)
, (2)
где
– коэффициент теплопроводности битума;
в – коэффициент теплопроводности воздуха;
 – отношение между площадями, занимаемыми битумом и воздухом, вычисляемое по формуле
v( б   ск p б
 =
,
(3)
(1  v) ск p б
где
 б и  ск – соответственно плотность вяжущего и скелетных частиц смеси асфальтобетона;
p б – отношение массы вяжущего к массе скелетных
частиц в смеси

v=1– o ,
(4)
 у .аб

б
где
v – пористость материала в долях единицы;
 o – средняя плотность асфальтобетона из шлаков, г/см 3 ;
 у.аб – плотность асфальтобетонa из шлаковых материалов, г/см 3
 у.аб 
g o  g1
,
go
g1

 у .ск  у..б
(5)
g 1 – содержание битума в асфальтобетонной смеси, %;
g o – содержание минеральных материалов в смеси, %
по массе;
 у.ск – плотность минеральной части, г/см 3 ;
 б – плотность битума, г/см 3
где
 у.ск
где
 о go
,
g1  g o
(6)
 o – средняя плотность асфальтобетона из шлаков, г/см 3

где
=
гр
=
  гр (1   )  (б  в )
,
4
(б  в ) Sin
(7)
– коэффициент теплопроводности шлакового материала.
92
Sin  и Sin  в формулах принимают из таблицы 2.6.1
[43] в зависимости от m  , вычисляемой по формуле
v(1   )
m =
.
(8)

Коэффициенты  и  введены в формулы для упрощения.
Таблица 2.6.1. Вспомогательная таблица для определения
геометрических функций
m
0,259
0,26
0,27
0,28
0,29
0,30
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
Sin θ
0,866
0,866
0,872
0,877
0,882
0,888
0,893
0,899
0,905
0,911
0,917
0,928
Sin α
0,816
0,817
0,824
0,830
0,836
0,843
0,849
0,856
0,864
0,871
0,879
0,887
m
0,37
0,38
0,39
0,40
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
0,476
Sin θ
0,929
0,935
0,942
0,948
0,955
0,962
0,968
0,975
0,982
0,989
0,996
1,000
Sin α
0,895
0,903
0,912
0,920
0,930
0,939
0,949
0,959
0,970
0,980
0,993
1,000
Таким образом, для того чтобы определить коэффициент теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов, необходимо знать следующие данные:
1) вид шлакового материала минеральной части;
2) содержание битума в смеси;
3) коэффициенты теплопроводности составляющих
материалов;
4) среднюю и истинную плотности асфальтобетона из
шлаковых материалов.
Последовательно используя формулы 5, 4, 6, 3, 8, 7 и 1
или 2, можно определить коэффициенты теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов любого состава.
Формулы 1 и 2 просты, но для вычисления коэффициента теплопроводности требуется значительное время, поэтому
нами составлены номограммы для асфальтобетона на основе
гранулированных доменных шлаков Череповецкого и Челябинского металлургических комбинатов (рис. 2.6.1, 2.6.2).
При разработке номограмм коэффициент теплопроводности битума принят равным 0,15 ккал/м·ч· °С.
93
2,2
Cредняя плотность асфальтобетонной смеси, г/см 3
9
6
7
10
11
8
2,14
2,06
1,98
1,82
1,74
1,66
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
.
0,24
.
Коэффициент теплопроводности, ккал/м град час
Рис. 2.3.1. Номограмма для определения коэффициента теплопроводности асфальтобетона из гранулированного доменного шлака Челябинского металлургического комбината и битума марки БНД 90/130.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Следует отметить, что рассчитанные коэффициенты
теплопроводности отличаются от экспериментальных не более чем на 3%, что вполне приемлемо для теплотехнических
расчетов.
Коэффициенты теплопроводности асфальтобетона из
шлаковых материалов значительно ниже приводимых в нормативных документах для асфальтобетона на природных каменных материалах, следовательно, можно утверждать, что
покрытия из асфальтобетона из шлаковых материалов будут
более трещиностойкими по сравнению с покрытиями из асфальтобетона на природных каменных материалах.
94
Средняя плотность асфальтобетонной смеси, г/см
3
2,22
11
6
2,14
7
9
8
10
2,06
1,98
1,90
1,82
1,74
1,66
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
.
0,24
.
Коэффициент теплопроводности, ккал/м град час
Рис. 2.6.2. Номограмма для определения коэффициента теплопроводности асфальтобетона из гранулированного доменного шлака Череповецкого металлургического комбината и битума марки БНД 90/130.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Из вышеприведенных результатов исследований можно
сделать обобщающие выводы, обосновывающие и предопределяющие повышенную морозостойкость асфальтобетона из шлаковых материалов:
1. Шлаковые материалы обладают макро- и микропористой структурой. Форма зерен и характер поверхности играют
существенную роль в формировании оптимальной структуры
асфальтобетона из шлаковых материалов. Изометрично-угловатая форма зерен шлаковых материалов способствует повышению деформативной способности асфальтобетона, так как при
уплотнении смесей происходит прорыв битумной пленки с об95
разованием тонких прослоек на поверхности шлаковых частиц.
Тонкие слои битума обладают повышенной деформативной
способностью при отрицательных температурах.
2. При помощи растровой (сканирующей) электронной
микроскопии установлено ленточное строение шлакового
стекла, аналогичное строению пленок органических полимеров – бутадиенового и натурального каучуков. Образование
пространственной структурированной сетки битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов, аналогичной строению органических полимеров, изменяет условия взаимодействия битума с поверхностью шлаковых материалов.
Линейная форма структурных элементов битума обеспечивает большее число контактов, так как адсорбция
одной «макромолекулы» битума приводит к закреплению на
поверхности шлака всей пачки цепей макромолекул, связанных с другими элементами надмолекулярной структуры в
единую пространственную сетку, аналогичной структурной
сетке органических полимеров. Сходство в строении битумной пленки на поверхности шлаковых материалов со строением органических полимеров позволяет говорить о повышенной деформативной способности асфальтобетона из шлаковых материалов при отрицательных температурах.
3. На основе современных представлений о природе
адгезионных связей в дисперсных системах установлено
влияние молекулярной, электрической и диффузной компонентов адгезии на устойчивость и стабильность свойств асфальтобетона при воздействии окружающей среды.
Принимая во внимание молекулярную и электрическую составляющие адгезии, ответственные за прочность адгезионной связи и усталостную прочность асфальтобетона из
шлаковых материалов, следует учитывать и диффузную составляющих сил адгезии. Диффузия битума и его компонентов в поры увеличивает не только молекулярный контакт, но
и способствует формированию на поверхности шлакового
материала пленки битума оптимальной толщины.
4. Строение порового пространства шлаковых материалов и асфальтобетона характеризуется наличием большого количества замкнутых межзерновых и внутризерновых
96
пор, которые являются упругими компенсаторами усилий
при воздействии знакопеременных температур на водонасыщенный асфальтобетон.
Установленное при помощи растровой (сканирующей)
микроскопии строение порового пространства асфальтобетона из шлаковых материалов позволяет считать, что интенсивному развитию микротрещин будут препятствовать как наличие шарообразных пор, снижающих напряжения в устьях
трещин, так и эффект взаимодействия этих трещин между
собой, создающий дислокационный барьер, препятствующий
их дальнейшему развитию.
5. Исследования с помощью методов инфракрасной
спектроскопии, ядерного магнитного резонанса широких линий, электронного парамагнитного резонанса, термографического анализа и растровой электронной микроскопии позволили установить наличие физико-химического взаимодействия между компонентами битума и шлакового материала и
отсутствие термического старения битума при соблюдении
оптимального режима приготовления смеси.
Присутствие на поверхности шлакового материала и в битуме активных функциональных групп позволяет говорить о значительной роли молекулярной адгезии, приводящей к возникновению двойного электрического слоя и увеличению роли электростатической составляющей сил адгезии. Пористое строение
шлакового материала усиливает роль диффузной составляющей
адгезии, приводящей к возникновению так называемого «подплавленного» слоя, являющегося важнейшим элементом, обеспечивающим устойчивость битумной пленки к процессам старения.
Микроскопические исследования показали возникновение дефектов в структуре битумной пленки на поверхности
шлакового материала вследствие несоблюдения температурного режима приготовления смесей. Пленка битума имеет
разрывы и теряет эластичность. Соблюдение оптимального
температурного режима приготовления является одним из
элементов повышения долговечности асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов.
6. Модификация поверхности шлакового материала
приводит к возникновению коагуляционно-конденсационной
97
структуры, упрочненной кристаллизационными сростками в
местах контакта шлаковых зерен, наиболее устойчивой в реальных условиях эксплуатации покрытий. В этом проглядывается несомненное преимущество гидравлически активных
минеральных материалов по сравнению с природными. Поэтому следует признать, что возникновение коагуляционноконденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными сростками в местах контакта шлаковых зерен, является
одним из важнейших элементов повышения долговечности
асфальтобетона, особенно в условиях воздействия температурно-влажностных факторов.
7. Характер строения порового пространства с наличием большого количества замкнутых пор обусловливает малый коэффициент теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов. Учитывая, что асфальтобетонные покрытия работают в нестационарном температурном режиме и эти
нестационарные температурные процессы, повторяясь многократно, приводят к необратимым структурным изменениям
материала, следует признать малый коэффициент теплопроводности одним из главных элементов, повышающих надежность асфальтобетонных покрытий. Меньший коэффициент
теплопроводности асфальтобетона из шлаковых материалов
по сравнению с асфальтобетоном на природных материалах
обеспечивает большее время релаксации температурных напряжений и значительно уменьшает скорость деформирования покрытия, вследствие чего успевают проявляться явления ползучести материала. Процессы ползучести и малый коэффициент линейного температурного расширения обеспечивают повышенную трещиностойкость покрытий из асфальтобетона на шлаковых материалах.
98
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ
ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПОД
ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Внутреннюю структуру и ее изменения под влиянием
различных внешних воздействий непосредственно отражает
прочность асфальтобетона. Поэтому одним из основных методов изучения асфальтовых материалов был принят метод
механических испытаний. В данной главе приведены результаты физико-механических исследований асфальтобетона из
шлаковых материалов и влияние на них воздействия знакопеременных температур.
3.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ
ОБОСНОВАНИЕ НАЗНАЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЦИКЛОВ
ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ
ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Вопрос о соотношении между лабораторными и естественными циклами замораживания-оттаивания имеет большое значение. Однако надо иметь в виду, что условия лабораторных испытаний более жесткие по сравнению с природными: образцы подвергаются замораживанию в водонасыщенном состоянии, больше скорость перепада температур и т.д.
Количество циклов замораживания-оттаивания в лабораторных условиях может быть назначено по формуле Кузнецова А.П. [87] с некоторыми изменениями
Nобщ = Nгод·T·k1·k2·k3·k4,
(1)
где Nобщ – расчетное количество циклов замораживанияоттаивания;
Nгод – количество циклов замораживания-оттаивания,
воздействующих на асфальтобетонное покрытие из природных каменных материалов в течение 1 года (равное: 2 – для
условий Вологодской области; 5 – для Воронежской);
T – расчетный срок службы покрытия;
k1 – коэффициент запаса прочности для категорий дороги: I-II – 1,3; III – 1,2; IV – 1,1; V – 1,05;
99
k2– коэффициент интенсивности движения для категорий дороги: I-II – 1,3; III – 1,2; IV-V – 1,05;
k3 – коэффициент, характеризующий влияние среды
при морозных воздействиях: для цементобетонных дорожных
конструкций – 0,8; для асфальтобетонных – 0,7;
k4 – коэффициент, учитывающий природные условия
эксплуатации: для умеренных и мягких – 1; для суровых –
1,5; для очень суровых – 2.
В лабораторных условиях количество циклов замораживания-оттаивания назначали из условий эксплуатации на
дорогах III-V технических категорий в условиях Вологодской
и Воронежской областей.
Количество циклов замораживания-оттаивания для асфальтобетона из природных каменных материалов:
для Вологодской области Nгод = 2·15·1,2·1,1·0,7·2 = 55;
для Воронежской области Nгод = 5·15·1,2·1,1·0,7·1 = 69.
Таким образом, количество циклов замораживанияоттаивания в лабораторных условиях для асфальтобетона на
природных каменных материалах может быть принято в пределах 50-70.
В вышеприведенной формуле Nгод предлагается принимать равным 2-5 циклам замораживания-оттаивания. Однако в Центрально-Черноземных областях количество переходов температуры через 0 °С происходит до 80-100 раз, но
не все они оказывают существенное влияние на физикомеханические свойства асфальтобетона: он не успевает оттаять и проморозиться.
Асфальтобетоны из шлаковых материалов – сравнительно новый дорожно-строительный материал, обладающий
специфическими свойствами, не присущими асфальтобетону
из природных каменных материалов, поэтому Nгод требует
уточнения, так как для такого вида асфальтобетона оно не установлено. Коэффициент перехода от лабораторных циклов
замораживания-оттаивания к реальным в условиях эксплуатации покрытий автором предложено установить по степени
разуплотнения покрытий, т.е. по изменению пористости [61,
62].
100
При установлении коэффициента перехода от лабораторных циклов замораживания-оттаивания к реальным применили ММПЭЭ (двух- и трехфакторные планы второго порядка). Матрицa и условия планирования приведены в таблицах 2.4.2, 3.1.1 и 3.2.1.
Таблица 3.1.1. Трехуровневый план проведения
экспериментов второго порядка при числе факторов
k = 3 (N = N 1 + Nα + n0)
Матрица
№
планирования (xi)
опыта x1
x2
x3
1
N1 2
3
4
5
6
7
8
9
Nα 10
11
12
13
14
15
n 0 16
17
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
0
0
0
0
0
0
0
+
+
–
–
+
+
–
–
0
0
+
–
0
0
0
0
0
+
+
+
+
–
–
–
–
0
0
0
0
+
–
0
0
0
Взаимодействие
(xi·xj)
x1 x2 x1 x3 x2 x3
+
–
–
+
+
–
–
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
–
+
–
–
+
–
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+
–
–
–
–
+
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Квадраты
переменных (xi2)
x12
x 22
x32
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
0
0
0
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
0
0
0
0
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
0
+
+
0
0
0
Здесь: x1 – кодированное значение уплотняющего давления (физическое значение Х1 меняется от 10 до 50 МПА);
x2 – кодированное значение содержания битума в смеси (физическое значение Х2 меняется от 7 до 11%); x3 – кодированное значение количества циклов замораживания-оттаивания в
лабораторных условиях (физическое значение Х3 меняется в
пределах от 0 до 100 циклов замораживания-оттаивания).
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
101
x1 
Х1  9
,
2
x2 
Х
 30
,
120
2
x3 
Х 1  50
.
50
(2)
Для исследования использовали асфальтобетонную
смесь на основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината и битума марки БНД
90/130. Из этой смеси согласно матрице планирования двухфакторного эксперимента (табл. 2.4.2) было изготовлено две партии
асфальтобетона. Одну партию хранили в комнатных условиях в
течение 360 суток, вторую партию помещали на улице под открытым небом, где она подвергалась воздействию атмосферных
осадков в виде дождя и снега, солнечной радиации и знакопеременных температур в течение 360 сут. По трехфакторному
эксперименту была изготовлена третья партия асфальтобетона и
ее подвергли замораживанию-оттаиванию в водонасыщенном
состоянии в лабораторных условиях. Продолжительность одного цикла замораживания-оттаивания составляла 24 ч: 6 ч происходило замораживание от +15 °С до –20 °С, 18 ч – оттаивание в
воде при температуре +15-20 °С.
После проведения эксперимента и обсчета результатов
получены уравнения изменения пористости для трех партий
асфальтобетона:
для первой партии, хранившейся в комнатных условиях в течение 1 года, изменение пористости описывается
уравнением
П1 = 24,53 – 5,43 x1 – 2,87 x2 – 0,31 x1 x2 + 2,25 x12 – 0,42 x22; (3)
для второй партии, хранившейся на улице под открытым небом, изменение пористости описывается уравнением
П2 = 24,91 – 5,53 x1 – 3,02 x2 – 0,12 x1 x2 + 2,31 x12 – 0,42 x22; (4)
для третьей партии, подвергшейся замораживаниюоттаиванию в лабораторных условиях, изменение пористости
описывается уравнением
П3 = 26,28 – 5,55 x1 – 2,20 x2 + 1,01 x3+ 0,29 x2 x3 + 0,32 x1 x3 +
+ 0,90 x12 + 0,61 x22 – 0,82 x32.
(5)
После натурного замораживания (хранение образцов
на улице под открытым небом) происходит разуплотнение
102
асфальтобетона, пористость асфальтобетона по сравнению с
образцами, хранившимися в комнатных условиях, возрастает
(рис. 3.1.1 и рис.3.1.2).
Рис. 3.1.1. Изменение пористости и водонасыщения после натурного замораживания асфальтобетона из гранулированного шлака
НЛМК и битума марки БНД 90/130: — – эталонные; ---- – после натурного замораживания.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 3.1.2. Изменение пористости и водонасыщения после натурного замораживания асфальтобетона из шлакового песка НЛМК и битума марки
БНД 90/130: — – эталонные; ---- – после натурного замораживания.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
103
В табл. 3.1.2 приведена величина увеличения пористости асфальтобетона из гранулированного доменного шлака и
битума после натурного замораживания по сравнению с пористостью образцов, хранившихся в комнатных условиях.
Таблица 3.1.2. Приращение пористости асфальтобетона
Кодированное Кодированное (физическое) значение содержания
(физическое) зна- битума в смеси, % (сверх 100% минеральной части)
чение уплотняю- –1 (7%) –0,5 (8%)
0 (9%) 0,5 (10%) 1 (11%)
щей нагрузки Приращение пористости асфальтобетона, % объема
0,88
0,71
0,54
0,37
0,20
–1 (10 МПА)
0,69
0,55
0,48
0,32
0,20
–0,5 (20 МПа)
0 (30 МПа)
0,53
0,46
0,38
0,31
0,23
0,5 (40 МПа)
0,45
0,38
0,35
0,32
0,29
1 (50 МПа)
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
Примечание. Приращение пористости рассчитывали по уравнениям (3 и 4) как разность П2 – П1.
Используя формулу (5) и данные таблицы 3.1.2, можно
определить соответствие между замораживанием-оттаиванием
асфальтобетона в лабораторных условиях и при эксплуатации
асфальтобетонных покрытий в течение одного года.
Например, подставив в уравнение 5 кодированное значение уплотняющей нагрузки x1 = 1,0 (физическое значение
Х1 = 50 МПа) и кодированное значение содержания битума x2
= 0 (физическое значение Х2 = 9%), получим изменение пористости от количества циклов замораживания-оттаивания
П = 21,63 + 1,33 x3 – 0,82 x32.
(6)
При количестве циклов замораживания-оттаивания в
лабораторных условиях, равном 0 (кодированное значение x3 = –1), пористость равна
П = 21,63 – 1,33 – 0,82 = 19,48.
После замораживания в реальных условиях разуплотнение равно 0,34% (при уплотняющем давлении 50 МПа и
содержании битума 9% – табл. 3.1.2). Приравняв уравнение
пористости (6) к выражению 19,48 + 0,34 и решив квадратное
уравнение, получим кодированное значение количества циклов замораживания-оттаивания в лабораторных условиях,
104
необходимое для достижения той же степени разуплотнения,
что и в реальных условиях (при хранении образцов на улице
под открытым небом)
21,63 + 1,33 x3 – 0,82 x32 = 19,48 + 0,34,
x3 = –0,882, x3 = 2,503.
Корень x3 = 2,503 отбрасываем, так как он выходит за
пределы варьирования переменной x3. Физическое значение
количества циклов замораживания-оттаивания в лабораторных условиях, эквивалентных одному году эксплуатации покрытия, находим из выражения (2):
–0,882 = (Х3 – 50)/50,
Х3 = 5,92.
Следовательно, в течение года на асфальтобетонное
покрытие из шлаковых материалов оказывает существенное
влияние такое же количество циклов замораживанияоттаивания, что и проведенное в лабораторных условиях
(5,92). Аналогично подсчитаны коэффициенты перехода от
лабораторных циклов замораживания-оттаивания к реальным
для всех составов смесей (при разном содержании битума и
разной степени уплотнения). По этим данным построена номограмма (рис. 3.1.3).
Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов
в процессе эксплуатации доуплотняются. Скорость доуплотнения покрытий зависит от интенсивности движения,
поэтому к назначению количества циклов замораживанияоттаивания в лабораторных условиях необходимо подходить
дифференцированно.
Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов
в начальный период эксплуатации имеют плотность, соответствующую
плотности
образца,
уплотненного
в
лабораторных условиях давлением 10-15 МПа. В процессе
эксплуатации происходит доуплотнение асфальтобетонных
покрытий под действием автомобильного транспорта.
Оптимальное содержание битума в асфальтобетоне из
шлаковых материалов находится в пределах от 7 до 11%
(сверх 100% минеральной части).
105
Количество циклов замораживания-оттаивания
28
24
Рис. 3.1.3. Номограмма для назначения количества циклов
замораживания-оттаивания асфальтобетона из шлаковых материалов в лабораторных условиях, эквивалентных одному
году эксплуатации покрытий
автомобильных дорог.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
20
7
16
12
8
9
8
10
4
11
10
20
30
40
50
Уплотняющее давление, МПа
В таблице 3.1.3 приведены данные изменения средней
плотности асфальтобетонных покрытий состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9% в зависимости от интенсивности движения автомобилей и времени
эксплуатации покрытия.
Таблица 3.1.3. Изменение средней плотности
асфальтобетона в зависимости от срока эксплуатации
и интенсивности движения
Время
эксплуатации
покрытия, г.
1
2
3
4
5
6
Средняя плотность асфальтобетона, г/см 3 ,
при интенсивности движения, авт./сутки
100
300
600
1000
3000
1,850
1,865
1,865
1,870
1,99
1,870
1,880
1,900
1,960
2,03
1,890
1,900
1,930
1,966
2,04
1,905
1,910
1,935
1,966
2,04
1,910
1,915
1,935
1,966
2,04
1,910
1,915
1,935
1,966
2,04
106
На рис. 3.1.3 приведены данные изменения средней
плотности асфальтобетона в зависимости от степени уплотнения и содержания битума в смеси.
Используя данные таблицы 3.1.3, можно определить степень уплотнения асфальтобетонных покрытий во время эксплуатации по рис. 3.1.4, а затем определить количество циклов замораживания-оттаивания, воздействующих на асфальтобетон в течение года по рис. 3.1.3. Поэтому в формуле (1) вместо Nгод ·T
следует подставлять сумму Nгод ·T и формула приобретает вид
i T
Nобщ = k1·k2·k3·k4·  N i  Т i ,
(7)
i 1
где
Ni – количество циклов замораживания-оттаивания,
воздействующих на покрытие в i год эксплуатации;
Ti – время эксплуатации при одинаковой степени уплотнения.
Средняя плотность асфальтобетона, г/см 3
2, 2 2
2, 1 6
11
10
9
8
2, 1 0
7
2, 0 4
Рис. 3.1.4. Изменение
средней плотности асфальтобетона в зависимости от степени уплотнения и содержания
битума в смеси.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
1, 9 8
1, 9 2
1, 8 6
1, 8 0
10
20
30
40
50
Уплотняющее давление, МПа
Таким образом, общее количество назначения циклов
замораживания-оттаивания для асфальтобетона из шлаковых
107
материалов зависит от состава смеси, степени уплотнения
покрытия и времени эксплуатации.
Согласно ГОСТ 9128-97, уплотнение асфальтобетона в
лабораторных условиях производят нагрузкой 40 МПа. Исходя
из этого, можно рассчитать количество циклов замораживанияоттаивания для асфальтобетонных покрытий, построенных в
Воронежской области, приняв при этом во внимание:
асфальтобетонная смесь имеет состав: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%; битум марки БНД 90/130 – 9% (по номограмме на рис. 3.1.3 находим, что на покрытие в течение одного
года воздействует 6,6 циклов замораживания-оттаивания);
k3 – коэффициент, характеризующий влияние среды
при морозных воздействиях, принимаемый равным 0,7;
категория дороги – III (k1– коэффициент запаса прочности принимаем равным 1,2; k2– коэффициент интенсивности движения принимаем равным – 1,2);
срок службы дорожной одежды – 15 лет;
дорога расположена в III дорожно-климатической зоне
(k4– коэффициент, учитывающий природные условия эксплуатации, принимаем равным 1,0).
Итак, Nобщ = 6,6·15·1,2·1,2·0,7·1,0 = 100 циклов
3.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ УПЛОТНЯЮЩЕЙ НАГРУЗКИ И
СОДЕРЖАНИЯ БИТУМА НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
При опытно-производственном строительстве и в результате 5-13-летних наблюдений за асфальтобетонными покрытиями из шлаковых материалов установлено, что средняя
плотность вырубок из покрытия соответствует средней плотности образца, уплотненного давлением 25-30 МПа. Таким
образом, асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов подвергаются замораживанию-оттаиванию в недоуплотненном состоянии. Известно, что недоуплотненные покрытия
подвергаются более сильному влиянию воздействия знакопеременных температур, чем плотные. Поэтому были проведены исследования по изучению влияния степени уплотнения
108
на показатели физико-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов после замораживания-оттаивания.
Оптимально необходимое содержание битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов с учетом воздействия
знакопеременных температур представляет несомненный интерес, так как это позволит прогнозировать долговечность
покрытий в реальных условиях эксплуатации. Для изучения
влияния содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания был применен
трехфакторный трехуровневый план второго порядка (табл.
3.1.1). Условия планирования эксперимента по изучению
структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживанияоттаивания приведены в таблице 3.2.1.
Таблица 3.2.1. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от содержания
битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов
замораживания-оттаивания
Факторы
Условия
Верхний уровень
Х вi
Нижний уровень
Х iн
Основной
уро0
вень Х i
Шаг варьирования
i
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
Х2 – уп- Х3 – количеХ1 – содерлотняю- ство циклов
жание бищая на- заморажива- x1
тума в смегрузка, ния-оттаиси, %
МПа
вания
x2
x3
11
50
100
+1
+1
+1
7
10
0
–1
–1
–1
9
30
50
0
0
0
2
20
50
-
-
-
109
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
х1 
Х1  9
,
2
х2 
Х
 30
,
120
2
х3 
Х 1  50
.
50
Для исследования использовали асфальтобетонную смесь
на основе гранулированного доменного шлака Новолипецкого
металлургического комбината и битума марки БНД 90/130.
После реализации опытов и обсчета матрицы планирования получена математическая модель изменения предела
прочности при сжатии при температуре +20 °С в зависимости
от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества
циклов замораживания-оттаивания
R20 = 1,87 + 0,26 x1 + 0,53 x2 – 0,26 x3 + 0,12 x1 x2 – 0,12 x1 x3 –
– 0,15 x2 x3 + 0,16 x12 – 0,29 x22– 0,08 x32,
где x1, x2, x3 – соответственно кодированные значения содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания (переход от физических переменных к кодированным осуществляется по вышеприведенным формулам).
Анализ математической модели позволяет установить
влияние каждого фактора на предел прочности при сжатии
при температуре +20 °С. Знак при линейных значениях коэффициентов x1 и x2 указывает на то, что с увеличением содержания битума в смеси и уплотняющей нагрузки предел
прочности при сжатии возрастает, причем влияние уплотняющей нагрузки больше, чем содержания битума в смеси.
Отрицательная величина коэффициента при x3 указывает на
снижение предела прочности при сжатии с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания. Коэффициенты
при парных взаимодействиях x1 x2 указывают на увеличение
предела прочности, а при x1 x3 и x2 x3 – на снижение предела
прочности. Коэффициенты при квадратичных x12, x22, x32 указывают на наличие минимума предела прочности при изменении содержания битума и наличие максимума – при изменении уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
110
Для более наглядного восприятия полученной математической модели построены графики (рис. 3.2.1 и 3.2.2). Как видно
из этих графиков, с увеличением содержания битума в смеси
пределы прочности при сжатии увеличиваются после воздействия количества циклов замораживания-оттаивания. Эта закономерность наблюдается при любой уплотняющей нагрузке.
Интенсивность нарастания предела прочности при сжатии
от содержания битума в смеси при воздействии знакопеременных температур больше, нежели у образцов, хранившихся в воздушно-сухих условиях (эталонных) (рис. 2.5.4). В условиях водонасыщения и попеременного замораживания-оттаивания в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются процессы
гидратации шлаковых материалов, которые носят конструктивный характер. В этом проглядывается несомненное преимущество активных минеральных материалов, какими являются шлаки,
перед традиционно применяемыми природными материалами.
Рис. 3.2.1. Зависимость предела прочности при сжатии от уплотняющей нагрузки, содержания битума марки БНД 90/130 и количества
циклов замораживания-оттаивания асфальтобетона из гранулированного доменного шлака НЛМЗ при температуре 20 °С.
Цифры на кривых – количество циклов замораживания-оттаивания
111
Рис. 3.2.2. Зависимость предела прочности при сжатии от уплотняющей нагрузки, содержания битума марки БНД 90/130 и количества
циклов замораживания-оттаивания асфальтобетона из гранулированного доменного шлака НЛМЗ при температуре 20 °С.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Материалы на основе гидравлических вяжущих обладают способностью к восстановлению первоначальной
структуры вследствие «самозалечивания» дефектов, возникающих при попеременном замораживании-оттаивании. Гидратация шлакового материала сопровождается возникновением контракционных пор, которые согласно С.В. Шестоперову, играют роль микроамортизаторов. Усиление процессов
структурообразования под воздействием воды при знакопеременных температурах приводит к образованию коагуляционно-конденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными сростками, стабильной по отношению к воздействию знакопеременных температур.
С увеличением количества циклов замораживанияоттаивания влияние содержания битума на предел прочности
при сжатии уменьшается. Интенсивность снижения прочности с увеличением уплотняющей нагрузки при воздействии
знакопеременных температур усиливается.
112
В таблице 3.2.2 приведены коэффициенты морозостойкости асфальтобетона в зависимости от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
Таблица 3.2.2. Изменение коэффициента морозостойкости
асфальтобетона из гранулированного доменного шлака
Новолипецкого металлургического комбината от количества
циклов замораживания-оттаивания, уплотняющей нагрузки и
содержания битума
Содержание
Уплотняюбитума
щая нагрузка,
марки БНД
МПа
90/130, %
10
20
7
30
40
50
10
20
8
30
40
50
10
20
9
30
40
50
10
20
10
30
40
50
10
20
11
30
40
50
Количество циклов замораживанияоттаивания
0
25
50
75
100
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,07
1,01
0,99
0,98
0,95
1,04
0,95
0,97
0,96
0,94
1,00
0,97
0,96
0,95
0,93
0,98
0,95
0,95
0,94
0,93
1,01
0,94
0,94
0,93
0,93
1,07
1,00
0,96
0,93
0,90
1,03
0,93
0,93
0,91
0,87
0,97
0,93
0,91
0,89
0,86
0,92
0,90
0,89
0,87
0,85
0,90
0,89
0,88
0,87
0,85
1,03
0,97
0,91
0,91
0,82
0,97
0,88
0,87
0,87
0,79
0,89
0,86
0,83
0,81
0,77
0,84
0,83
0,81
0,79
0,76
0,76
0,81
0,80
0,78
0,76
1,02
0,90
0,84
0,79
0,72
0,77
0,79
0,78
0,74
0,68
0,80
0,76
0,74
0,71
0,66
0,72
0,72
0,71
0,69
0,65
0,69
0,70
0,70
0,69
0,66
113
С увеличением уплотняющей нагрузки и количества
циклов замораживания-оттаивания коэффициент морозостойкости снижается.
Влияние содержания битума в смеси на коэффициент
морозостойкости незначительно при общей тенденции
уменьшения с увеличением содержания битума.
Анализ результатов исследования по определению оптимального содержания битума в асфальтобетонных смесях с
учетом воздействия знакопеременных температур показал,
что для асфальтобетона на шлаковых материалах такого понятия, как «оптимальное» содержание битума, не существует. Следует говорить об «оптимально необходимом содержании битума». Аналогичные результаты получены при испытании асфальтобетона методом ультразвука по скорости его
прохождения (рис. 2.5.5).
Таким образом, с учетом воздействия знакопеременных температур «оптимально необходимое» содержание битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов следует принимать в пределах 8,0-9,8% сверх 100% минеральной части,
исходя из того что при содержании битума меньше 8% асфальтобетонные смеси плохо уплотняются, и не более 10% –
с точки зрения экономической эффективности.
3.3. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА УПЛОТНЯЮЩЕЙ НАГРУЗКИ
И АКТИВНОСТИ ШЛАКА НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
АСФАЛЬТОБЕТОНА
Характер уплотняющей нагрузки также оказывает определенное воздействие на процессы формирования асфальтобетона из шлаковых материалов. При уплотнении покрытий катками статического действия обеспечивается длительное статическое контактирование минеральных частиц, которое необходимо для структурирования битума, но не обеспечивает наилучшего сближения зерен минерального материала, как это имеет место при уплотнении катками вибрационного действия. При вибрировании асфальтобетона из шлаковых материалов достигается более плотная упаковка минерального материала (табл. 3.3.1), а пористая структура способствует ускорению процессов диффундирования битума в
поры шлакового материала.
114
Таблица 3.3.1. Влияние характера уплотняющей нагрузки
на физико-механические свойства асфальтобетона
Состав
асфальтобетона
Гранулированный
доменный шлак Череповецкого металлургического комбината – 100 %, битум
марки
БНД 90/130 – 9%
Гранулированный
доменный шлак комбината «Свободный
Сокол» – 100%, битум
марки
БНД
90/130 – 8%
Предел прочности
при сжатии, МПа Средняя Водона- Набупри темпе- после во- плот- сыще- хание,
ние, % % объратуре, °С донасы- ность,
3
г/см
объема ема
20
50 щения
нагрузка статического действия
2,1 1,1
1,9
1,86
20,53
0,93
нагрузка вибрационного действия
2,2
1,3
2,1
1,89
10,54
0,72
нагрузка статического действия
2,7 1,1
2,9
1,80
15,30
0,00
нагрузка вибрационного действия
4,0
1,4
4,2
1,83
11,16
0,00
При уплотнении асфальтобетона из шлаковых материалов нагрузкой вибрационного действия существенно повышаются пределы прочности при сжатии при всех температурах, уменьшается водонасыщение и набухание. Аналогичные результаты получены и после продолжительного водонасыщения асфальтобетона к началу замораживания-отаивания (табл. 3.3.2). Поэтому при уплотнении асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов предпочтение следует отдавать каткам вибрационного действия.
С увеличением уплотняющей нагрузки и количества
циклов замораживания-оттаивания коэффициент морозостойкости снижается.
Влияние содержания битума в смеси на коэффициент
морозостойкости незначительно при общей тенденции снижения с увеличением содержания битума.
115
Таблица 3.3.2. Показатели физико-механических свойств
асфальтобетона из гранулированного шлака Череповецкого
металлургического комбината и битума марки БНД 60/90 в
количестве 9% после замораживания-оттаивания в зависимости от продолжительности водонасыщения к моменту
замораживания и характера уплотняющей нагрузки
Предел прочПродолжиКоличество ности при
Коэфтельность воНабуциклов за- сжатии, МПа, фициент Водонадонасыщения
хание,
моражива- при темпера- водоус- сыщение,
к моменту за% объниятойчи%
объема
туре, °С
мораживания,
ема
оттаивания
вости
сут.
20
50
Образцы уплотнены нагрузкой вибрационного действия
эталон
4,6
1,5
1,02
9,06
0,00
150
4,0
1,4
1,05
11,16
0,27
10
эталон
4,2
1,4
1,06
8,49
0,00
10
150
3,4
1,5
1,06
8,43
0,00
20
эталон
4,5
1,5
0,89
9,32
0,00
20
150
2,9
1,7
1,08
9,97
0,17
30
эталон
3,4
1,7
1,00
6,18
0,00
30
150
2,8
1,2
1,11
8,02
0,00
60
эталон
3,6
1,5
1,12
6,46
0,00
60
150
4,2
2,3
1,12
8,99
0,27
Образцы уплотнены нагрузкой статического действия
эталон
2,1
1,0
1,33
11,85
0,62
150
2,7
1,1
1,07
15,30
0,00
10
эталон
2,5
1,2
1,24
7,75
0,00
10
150
3,1
1,1
0,90
14,39
0,37
20
эталон
3,0
1,2
1,08
8,79
0,51
20
150
2,1
1,5
1,38
13,30
0,20
30
эталон
2,7
1,8
1,00
6,64
0,61
30
150
3,1
1,8
0,90
11,10
0,00
60
эталон
2,5
1,8
1,12
3,55
0,00
60
150
3,6
1,9
1,16
10,65
0,00
При исследовании морозостойкости асфальтобетона,
уплотненного разной нагрузкой, установлено, что коэффициент морозостойкости с увеличением уплотняющей нагрузки
снижается (табл. 3.3.3 и рис. 3.3.1).
116
Таблица 3.3.3. Влияние степени уплотнения на
морозостойкость асфальтобетона после 150 циклов
замораживания-оттаивания
УплотСостав
няющая
асфальтобетона нагрузка, МПа
Гранулированный
доменный
шлак Череповецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 60/90
– 9%
Гранулированный
доменный
шлак
Новолипецкого металлургического
комбината
–
100%,
битум
марки БНД 60/90
– 9%
20
эталон
30
эталон
40
эталон
50
эталон
5
эталон
10
эталон
20
эталон
30
эталон
40
эталон
Предел
прочности
при сжатии, МПа,
при температуре, °С
20
50
3,7 0,8
3,6 0,8
4,4 0,9
4,4 1,2
4,7 1,1
4,8 1,2
5,1 1,0
5,5 1,1
1,3 0,4
1,5 0,6
1,7 0,7
2,0 0,9
2,3 1,0
3,4 1,3
3,1 0,7
4,7 1,3
3,5 1,3
5,8 2,0
Коэффициент
водоустойчивости
1,02
1,00
0,93
0,93
0,98
0,98
0,96
1,02
1,07
1,06
1,00
1,05
1,00
1,00
0,9
1,02
1,00
1,00
ВодоНабунасыхание,
щение,
% объ% объема
ема
9,94
13,04
10,43
8,32
8,27
8,00
6,31
6,59
34,76
37,15
33,70
31,72
32,80
28,31
30,60
26,49
30,23
25,96
0,29
0,42
0,43
0,07
0,09
0,00
0,09
0,19
0,23
0,38
0,33
0,27
0,52
0,00
0,80
0,44
0,37
0,11
Коэффициент
морозостойкости
1,03
1,00
0,98
0,93
0,87
0,85
0,68
0,56
0,60
-
Примечание. Образцы испытывали на морозостойкость в возрасте
28 ут. с момента формовки
У асфальтобетона на основе основных гранулированных доменных шлаков (Череповецкого металлургического
комбината) снижение коэффициента морозостойкости незначительно, а на основе кислых гранулированных доменных
шлаков (Новолипецкого металлургического комбината) коэффициент морозостойкости снижается интенсивнее. По механическим свойствам эти материалы отвечают требованиям
стандарта.
117
Рис.3.3.1. Влияние величины уплотняющей нагрузки на морозостойкость
асфальтобетона состава: 1 – гранулированный доменный шлак Череповецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 –
9%; 2 – гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината –100%, битум марки БНД 60/90 – 9%:
— – коэффициент морозостойкости; ---- – предел прочности при сжатии
при температуре +20 °С после замораживания-оттаивания;—•— – предел
прочности при сжатии при температуре +20 °С эталонных образцов
Несомненный интерес представляет влияние активности
шлакового материала на морозостойкость асфальтобетона. Для
выявления этой закономерности исследовали асфальтобетоны
на основе шлаков разных металлургических комбинатов (Челябинского, Магнитогорского, Череповецкого и Новолипецкого).
В таблице 3.3.4 приведены показатели структурномеханических свойств и коэффициенты морозостойкости асфальтобетона после замораживания-оттаивания. Приведенные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением
количества циклов замораживания-оттаивания коэффициент
морозостойкости снижается.
118
119
120
Интенсивность его снижения находится в прямой зависимости от активности применяемых минеральных материалов: чем активнее минеральный материал, тем выше морозостойкость асфальтобетона. В этом и заключается существенное отличие гидравлически активных минеральных материалов от традиционно применяемых природных. По степени морозостойкости асфальтобетонные материалы, исследованные в данной работе, можно расположить в следующем
порядке: на основе гранулированных доменных шлаков металлургических заводов (Челябинского → Новолипецкого →
Череповецкого → Магнитогорского) → на основе шлакопемзовых песков металлургических заводов (Магнитогорского
→ Новолипецкого) → шлаковых песков.
3.4. ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ БИТУМА, ВОЗРАСТА
И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВОДОНАСЫЩЕНИЯ
АСФАЛЬТОБЕТОНА НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
Вопрос о влиянии вязкости битума на морозостойкость
асфальтобетонных материалов трактуется разными авторами
различно. Одни [23] считают, что морозостойкость повышается с понижением вязкости, другие [132, 133] – повышается
с применением более вязких битумов. Проведенные нами исследования позволили выявить влияние вязкости применяемого битума на морозостойкость асфальтобетона из шлаковых материалов: морозостойкость повышается с увеличением
вязкости битума (табл. 3.4.1).
Асфальтобетоны из шлаковых материалов обладают
большой остаточной пористостью и водонасыщением. В зоне
избыточного увлажнения такие покрытия подвергаются попеременному замораживанию-оттаиванию после длительного
водонасыщения (т.е. водонасыщенными).
Интересным также является вопрос о времени прекращения строительства асфальтобетонных покрытий из шлаковых
материалов в осенний период перед наступлением заморозков.
Проведенные исследования позволили установить, что
длительное водонасыщение оказывает положительное влияние на структурно-механические свойства асфальтобетона из
шлаковых материалов (табл. 3.4.2).
121
122
Таблица 3.4.2. Влияние длительного водонасыщения
на физико-механические свойства асфальтобетона
ПродолжиСостав
тельасфальтобе- ность
тона
водонасыщения, сут
Гранулиро10
ванный
до- эталон
менный шлак 30
Челябинского эталон
металлурги60
ческого ком- эталон
бината
– 90
100%, битум эталон
марки
БНД 180
90/130 – 9%
эталон
Гранулиро10
ванный
до- эталон
менный шлак 30
Магнитогор- эталон
ского метал- 60
лургического эталон
комбината – 90
100%, битум эталон
марки
БНД 180
60/90 – 8%
эталон
Предел прочно- Сред- Водо- На- Коэфсти при сжатии, няя насы- буха- фициент
МПа, при темпе- плот- щение, ние, водоус%
ратуре, °С
ность, % обътойчиобъ3
г/см
ема
вости
ема
20 50
0
1,9
1,6
1,5
1,8
2,0
2,0
2,2
2,7
2,1
3,5
1,8
2,7
2,0
2,8
2,3
2,5
2,5
2,6
4,6
3,9
0,7
0,6
0,7
0,7
0,7
0,8
0,8
0,9
0,8
1,1
0,6
0,8
0,7
0,8
0,7
0,7
0,8
0,7
1,1
0,8
6,5
7,0
6,7
7,4
7,2
7,7
7,4
10,6
8,1
10,9
5,4
5,0
5,6
5,5
5,6
5,2
5,7
5,2
7,2
6,0
2,15
2,19
2,16
2,12
2,17
2,18
2,20
2,18
2,20
2,21
2,09
2,11
2,17
2,09
2,21
2,08
2,15
2,07
2,21
2,10
8,20
5,40
8,30
9,20
8,10
9,50
7,88
9,00
7,02
9,50
12,01
14,00
10,28
13,20
10,10
12,60
9,81
12,80
9,80
10,66
0,45
0,36
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
1,00
0,98
1,02
1,11
1,01
1,20
0,90
1,08
1,10
1,00
1,30
0,88
1,09
1,16
1,04
0,90
0,98
0,81
1,05
1,03
Устойчивость структуры асфальтобетона из шлаковых
материалов при длительном водонасыщении объясняется
своеобразным механизмом процессов структурообразования
при взаимодействии шлакового материала с водой. Взаимодействие шлаковых материалов с водой начинается с момента их получения. Во время разогрева шлакового материала и
объединения его с битумом процессы гидролиза и гидратации усиливаются. К моменту водонасыщения структура асфальтобетона из шлаковых материалов коагуляционная.
123
При водонасыщении асфальтобетона из шлаковых материалов происходят медленные процессы упрочнения и стабилизации структуры, прежде всего за счет повышения прочности адгезионных связей между битумом и шлаковым материалом, что обусловлено модификацией поверхности шлакового материала при гидратации.
При использовании гидравлических минеральных материалов вода, попавшая под битумную пленку, расходуется
на гидратацию шлака, а система пор-каналов оттягивает избыток влаги внутрь шлакового зерна. В результате этого
структура асфальтобетона из шлаковых материалов превращается из коагуляционной в коагуляционно-конденсационную, упрочненную кристаллизационными сростками в
местах контакта шлаковых зерен [58, 122].
Для подтверждения этого положения в лабораторных
условиях была приготовлена асфальтобетонная смесь состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 –
9%. Из этой смеси были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 30 мм и высотой 50 мм, уплотненные нагрузкой 40 МПа. Затем образцы поместили в воду на 2, 14, 28, 60,
120, 180 и 360 суток.
После каждого срока водонасыщения образцы высушивали, оборачивали фильтровальной бумагой и помещали в
аппарат Сокслета для экстрагирования битума спиртобензольной смесью. Экстрагирование считалось законченным,
когда исчезала окраска спиртобензольной смеси. После экстрагирования битума образцы вынимали из аппарата, освобождали от фильтровальной бумаги и осматривали состояние
скелета. При выдерживании образцов 2 и 14 суток в воде
скелет образцов не сохранял своей формы и превращался в
сыпучий материал. После 28-суточного выдерживания в воде
форма образца сохранялась, но обладала малой прочностью и
при слабом нажатии рукой рассыпалась. При выдерживании
же образцов в воде в течение 60, 120, 180 и 360 суток после
экстрагирования битума скелет сохранял первоначальную
форму и обладал определенной прочностью (табл. 3.4.3 и
рис. 3.4.1).
124
Таблица 3.4.3. Предел прочности скелета минеральной части
асфальтобетона из гранулированного шлака после
длительного водонасыщения
Продолжительность
водонасыщения, сут.
2 14 28 60 120 180 360
Показатель
Предел прочности скелета при сжатии, МПа
-
-
- 0,1 0,3
0,6
0,8
Рис. 3.4.1. Минеральная
часть
скелета после водонасыщения 180
суток и экстрагирования битума
Электронно-микроскопические исследования также
подтвердили образование тонковолокнистых гидросиликатов
после длительного водонасыщения асфальтобетона в течение
360 суток (рис. 3.4.2).
Рис. 3.4.2. Кристаллогидраты в структуре
асфальтобетона из шлаковых материалов после
длительного водонасыщения (360 суток)
125
Изучение влияния продолжительности водонасыщения
и возраста образцов на морозостойкость проводили на асфальтобетоне, минеральная часть которых состояла из гранулированных доменных шлаков Череповецкого, Новолипецкого металлургических комбинатов, комбината «Свободный
Сокол» и шлакового песка Новолипецкого металлургического комбината.
Морозостойкость асфальтобетона на шлаковых материалах с увеличением срока водонасыщения перед замораживанием повышается (табл. 3.4.4, 3.4.5).
Таблица 3.4.4. Влияние продолжительности водонасыщения
к началу замораживания на морозостойкость асфальтобетона
после 150 циклов замораживания-оттаивания
Предел
Продолпрочности Коэфжительпри сжатии, фициент
Состав
ность воМПа, при водоусасфальтобетона
донасытемпературе, тойчищения,
°С
вости
сут.
20
50
Гранулированный до- 10
3,0
1,0
1,03
менный шлак метал- 20
3,5
1,1
0,97
лургического комбина- 30
3,7
1,0
0,86
та «Свободный Сокол»
– 100%, битум марки 60
3,5
1,5
1,00
БНД 60/90 – 9%
Гранулированный до- 10
4,3
1,3
0,95
менный шлак Черепо- 20
4,4
1,4
0,80
вецкого металлургиче- 30
3,9
1,4
1,00
ского комбината –
100%, битум марки 60
4,0
1,4
1,05
БНД 90/130 – 9%
Водо- Коэфнасы- фициент
щение, морозо% объ- стойкоема
сти
12,17
10,42
10,23
0,67
0,80
0,95
8,23
0,96
7,72
7,38
7,00
1,00
0,92
0,90
6,38
0,98
Анализ результатов, представленных в таблицах 3.4.4,
3.4.5, свидетельствует о том, что асфальтобетонные смеси на
шлаковых материалах можно укладывать в сырую погоду
вплотную до заморозков. Это существенно удлинит строительный сезон.
126
Таблица 3.4.5. Влияние возраста образцов к началу
замораживания на морозостойкость асфальтобетона после
150 циклов замораживания-оттаивания
Возраст Предел
Коэфобраз- прочности КоэффициВодона- Набуцов к при сжатии, фициент
ент
Состав
сыще- хание,
началу МПа, при водоусмороасфальтобетона
ние, % % объзамора- температу- тойчизособъема ема
живаре, °С
вости
тойкония, сут. 20
сти
50
Гранулированный
2
4,3 1,1
1,05
9,04 0,25
0,96
доменный шлак
7
4,2 1,2
1,12
7,43 0,58
0,86
Череповецкого
14
4,5 0,9
0,97
9,26 0,14
0,94
металлургическо28
4,7 1,1
0,98
8,27 0,09
0,98
го комбината –
Эталонные образцы
100%, битум мар2
4,5 1,1
0,93
8,88 0,70
ки БНД 90/130 –
7
4,8 1,1
1,00
7,42 0,40
9%
14
4,8 1,2
0,98
9,37 0,00
28
4,8 1,1
0,98
8,59 0,00
3.5. КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
АСФАЛЬТОБЕТОНА
Асфальтовый бетон является одним из наиболее сложных искусственных конгломератов, что обусловлено главным
образом особенностью его структуры, а также большой зависимостью его свойств от многих факторов внешнего воздействия.
Известные способы исследования влияния эксплуатационных и климатических воздействий на асфальтобетон основаны на дифференциальном подходе к оценке стабильности его
структуры по результатам влияния отдельных факторов. Однако такая оценка не позволяет учесть одновременное влияние
комплекса эксплуатационно-климатических и рецептурных
факторов на асфальтобетон, как это имеет место в реальных условиях эксплуатации покрытий автомобильных дорог.
Существующий ГОСТ 9128-97 на асфальтобетонные смеси
и асфальтобетон также не учитывает комплексного воздейст127
вия факторов. Лабораторные методы оценки показателей качества асфальтобетона не отражают условия его работы в покрытии при изменяющемся температурно-влажностном режиме, кроме того, характеристика свойств асфальтобетона
дается по отдельным независимым показателям, а комплексное влияние эксплуатационно-климатических факторов на
свойства асфальтобетона практически не изучено.
Целесообразность метода комплексного воздействия
основывается на мнении ряда исследователей [23, 111] о недостаточности оценки влияния отдельных факторов на изменение свойств асфальтобетона при прогнозировании срока
его службы и о необходимости определения закономерностей
изменения структуры асфальтобетона под влиянием комплекса факторов.
Нами предложен и разработан способ подготовки образцов строительных материалов к испытаниям на прочность [128].
Сущность способа заключается в том, что на один и тот же образец воздействует комплекс факторов, после чего определяются параметры структурно-механических свойств материала.
Для исследования комплексного воздействия на структурно-механические свойства асфальтобетона из гранулированного доменного шлака и шлакового песка Новолипецкого
металлургического комбината продолжительности водонасыщения, возраста образцов к началу замораживания и количества циклов замораживания-оттаивания применили метод
математического планирования экстремальных экспериментов (ММПЭЭ). План эксперимента приведен в таблице 3.1.1,
а условия планирования – в таблице 3.5.1.
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
Х  50
x1  1
,
50
x2 
Х
 16
,
14
2
x3 
Х
3
 30
.
30
В результате реализации опытов и обсчета матрицы планирования получены математические модели изменения предела прочности при сжатии при температуре 20 °С в зависимости
от перечисленных выше факторов (табл. 3.5.2 и рис. 3.5.1-3.5.3).
128
Таблица 3.5.1. Условия планирования эксперимента по
изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от количества циклов
замораживания-оттаивания, возраста образцов и
продолжительности водонасыщения к началу замораживания
Факторы
Физическое значение переменных
Х1 – количество циклов замораживанияоттаивания
Условия
Верхний
уров
вень
Хi
Нижний уровень
Х iн
Основной уровень Х 0i
Шаг варьирования
i
Кодированное
значение
Х2 – воз- Х3 – продолраст образ- жительность
цов к нача- водонасыx
лу замора- щения к на- 1
живания, чалу заморасут.
живания, сут.
x2
x3
100
30
60
+1 +1
+1
0
2
0
–1
–1
–1
50
16
30
0
0
0
50
14
30
-
-
-
Установлено, что асфальтобетоны на гранулированном
доменном шлаке и битуме марки БНД 40/60 с увеличением
количества циклов замораживания-оттаивания до 50 повышают предел прочности, а затем происходит некоторый спад
прочности. Предварительное выдерживание образцов (рис.
3.5.1) до 60 суток в воде оказывает положительное влияние
на морозостойкость материала. Нарастание прочности при
сжатии в возрасте объясняется установлением адсорбционнодиффузного равновесия в системе шлак-битум. Выдерживание образцов в воде способствует модификации поверхности
шлаковых материалов под пленкой битума вследствие диффундирования воды через битум, избыток которой отсасывается сложной системой пор и каналов внутрь. При замораживании-оттаивании асфальтобетона до 50 циклов конструктивные процессы преобладают над деструктивными.
129
130
Рис. 3.5.1. Влияние количества циклов замораживания-оттаивания,
возраста образцов и продолжительности водонасыщения на пределы
прочности при сжатии асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 40/60 – 9%.
Цифры на кривых – продолжительность водонасыщения, сут.
Рис. 3.5.2. Влияние количества циклов замораживания-оттаивания,
возраста образцов и продолжительности водонасыщения на пределы
прочности при сжатии асфальтобетона состава: шлаковый песок
НЛМК – 100%, битум марки БНД 40/60 – 9%.
Цифры на кривых – продолжительность водонасыщения, сут.
131
В таблице 3.5.3 приведены коэффициенты морозостойкости асфальтобетона на гранулированном доменном
шлаке и битуме марки БНД 40/60. С увеличением срока выдерживания образцов к моменту замораживания морозостойкость снижается, а с увеличением времени водонасыщения –
морозостойкость снижается при выдерживании в воде до 30
суток, а затем – возрастает.
Асфальтобетоны на основе шлакового песка и битума
марки БНД 40/60 (см. рис. 3.5.2) с увеличением возраста образцов к началу замораживания до 16 суток несколько снижают прочность после замораживания, а затем предел прочности при сжатии начинает возрастать. С увеличением продолжительности водонасыщения перед замораживанием
прочность снижается, а затем начинает возрастать, что связано с гидролизом и гидратацией шлакового песка.
Рис. 3.5.3. Влияние количества циклов замораживания-оттаивания,
возраста образцов и продолжительности водонасыщения на пределы
прочности при сжатии асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%
132
133
134
135
Асфальтобетоны на основе гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 90/130 (см. рис. 3.5.3) с увеличением возраста образцов к началу замораживания до 16
суток несколько снижают прочность после замораживания, а
затем предел прочности при сжатии начинает возрастать. С
увеличением продолжительности водонасыщения и количества циклов замораживания-оттаивания наступление адсорбционно-диффузного равновесия ускоряется, и предел прочности возрастает. Аналогичные результаты получены и при
анализе изменения коэффициента морозостойкости (см. табл.
3.5.3). При сопоставлении коэффициентов морозостойкости
асфальтобетона с битумами разной вязкости закономерность
изменения морозостойкости сохраняется: чем выше вязкость
битума, тем выше морозостойкость.
В первый период (до 50 суток) преобладают деструктивные процессы, а затем – конструктивные. Несмотря на некоторое снижение предела прочности при сжатии после замораживания-оттаивания все асфальтобетоны на шлаковых
материалах по прочностным показателям удовлетворяют
требованиям стандарта.
3.6. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТОБЕТОНА
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ
ЗАМОРАЖИВАНИЯ-ОТТАИВАНИЯ
В соответствии с теорией асфальтобетона и с общей
теорией строительных материалов на основе вяжущих веществ (органических и неорганических), развиваемой И.А.
Рыбьевым [111], параллельно с изучением физикомеханических свойств было проведено исследование структуры асфальтобетона на основе гидравлически активных материалов после воздействия знакопеременных температур.
Исследование изменения структуры асфальтобетона под
влиянием воздействия знакопеременных температур проводили
методами инфракрасной спектроскопии, растровой (сканирующей) электронной микроскопии, ртутной порометрии и обычными методами – определением пористости и водонасыщения.
На рис. 3.6.1 приведены инфракрасные спектры поглощения асфальтобетона на основе гранулированного до136
менного шлака и битума марки БНД 90/130 после 25, 50 и
100 циклов замораживания-оттаивания.
Рис. 3.6.1. Инфракрасные спектры поглощения асфальтобетона из гранулированного шлака после воздействия знакопеременных температур
Цифры на кривых – количество циклов замораживания - оттаивания
Анализ инфракрасных спектров свидетельствует об увеличении содержания кристаллогидратной воды – в области поглощения 3720-3200 см-1 наблюдается широкая полоса поглощения, характерная для валентных колебаний кристаллогидратной воды [96, 98]. Следовательно, можно полагать, что при воздействии знакопеременных температур в асфальтобетоне из
шлаковых материалов продолжаются процессы гидролиза с образованием кристаллогидратов. Это согласуется с данными,
приведенными в работе Рихартца [108], что пониженные температуры вызывают образование гидросиликатов кальция. Можно
также полагать, что в процессе гидролиза и гидратации гранулированного доменного шлака происходит образование конденсационно-кристаллизационных структур в местах соприкосновения шлаковых зерен [52, 57, 59].
137
Интенсивность поглощения в области 1601 см-1 не изменяет своей величины, что свидетельствует об отсутствии
старения битума в материале. В области поглощения 9001200 см-1 усиливаются процессы взаимодействия кальция и
магния с гидроксильными группами битума.
Образование кристаллогидратов подтверждают также
исследования методом растровой электронной микроскопии.
На рис. 3.6.2 видны волокнистые гидросиликаты, сформировавшиеся в межзерновом поровом пространстве асфальтобетона из гранулированного шлака. Гидратные новообразования относительно крупных размеров формируются в течение
длительных сроков. Тонковолокнистые гидросиликаты возникают на более поздних стадиях за счет гидратации новых
участков шлакового стекла. Таким образом, в результате
взаимодействия знакопеременных температур в асфальтобетоне с добавками гранулированных доменных шлаков возникает коагуляционно-конденсационная структура, упрочненная кристаллизационными сростками в местах контакта шлаковых зерен.
Использование растровой сканирующей электронной
микроскопии для изучения структурообразования и изменения структуры при воздействии знакопеременных температур позволило доказать основную роль процессов гидратации
шлаковых материалов для повышения морозостойкости асфальтобетона (рис. 3.6.2).
Гидратные новообразования не приводят к полной закупорке поры. Высокодисперсные кристаллогидраты армируют пору (см. рис. 3.6.2). Этим объясняется уменьшение водонасыщения в асфальтовых бетонах с добавками гранулированного доменного шлака практически у всех составов.
Поры и микротрещины, заполненные сростками кристаллогидратов, служат одновременно каркасом, упрочняющим минеральный материал.
Прежде всего, это относится к поровому пространству
асфальтобетона из шлаковых материалов. Поры шлаковых
материалов заполняются продуктами гидратации (кристаллогидратами), превращаясь из дефекта структуры в прочные
138
структурные элементы, так называемые дислокационные
барьеры (рис. 3.6.3).
0,1мкм
1 мкм
Рис. 3.6.2. Возникновение коагуляционно-конденсационной структуры в
асфальтобетоне в результате воздействия знакопеременных температур
1 мкм
0,3 мкм
Рис. 3.6.3. Заполнение поры асфальтобетона кристаллогидратами
139
Модификация поверхности шлаковых материалов при
воздействии знакопеременных температур также играет одну
из основных ролей в повышении морозостойкости. На рис.
3.6.4 представлена поверхность шлакового материала после
отэкстрагирования битума из асфальтобетонной смеси, прошедшей 50 циклов замораживания-оттаивания.
3 мкм
Рис. 3.6.4. Mодификация поверхности шлакового материала после
50 циклов замораживания-оттаивания. Битум отэкстрагирован
Модификация поверхности зерен шлака приводит к
возрастанию роли Ван-дер-ваальсовых сил вследствие увеличения поверхности контакта между битумом и минеральным
материалом, так как поверхность новообразований измеряется величинами порядка 100-300 м2/г. Основное влияние модификации поверхности, по нашему мнению, заключается в
том, что кристаллогидраты армируют битум как по поверхности шлакового материала, так и тот битум, который продиффундировал в поры. Это приводит к усилению диффузной адгезии между битумом и минеральным материалом.
В вышеприведенных исследованиях показано основное преимущество асфальтобетона из шлаковых материалов
по сравнению с традиционно применяемыми природными,
когда воздействие температурно-влажностных изменений
140
приводит не к деструкции, а, наоборот, к значительному упрочнению системы.
Исследования, проведенные методом ртутной порометрии, показали, что с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания в асфальтобетоне из шлаковых материалов происходит перераспределение объема пор по диаметрам. Объем пор, имеющих диаметры 300-30 мкм, уменьшается, а объем пор диаметром менее 30 мкм увеличивается
(рис. 3.6.5). Это вполне объяснимо, так как образуемые в асфальтобетоне из шлаковых материалов кристаллогидраты,
уменьшают сечение пор, не перекрывая их полностью. В порах меньшего диаметра вода замерзает при более низких отрицательных температурах, и поэтому уменьшение диаметра
пор является положительным фактором, увеличивающим морозостойкость асфальтобетона.
Рис. 3.6.5. Дифференциальные кривые распределения объема пор
в асфальтобетоне из
гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 60/90 в
количестве 9% после
воздействия замораживания-оттаивания.
Цифры на кривых – количество циклов замораживания-оттаивания
141
Несомненный интерес представляет также изменение
пористости и водонасыщения асфальтобетона из шлаковых
материалов после воздействия замораживания-оттаивания.
Эти исследования проведены с применением математического метода планирования экстремальных экспериментов: независимыми переменными были приняты уплотняющая нагрузка, содержание битума в смеси и количество циклов замораживания-оттаивания. Условия планирования и матрица
планирования приведены в таблицах 3.1.1 (см. § 3.1)и 3.2.1 (§
3.2). Pеализация экспериментов и обсчет матрицы планирования позволили получить математические модели изменения пористости и водонасыщения асфальтобетона от вышеперечисленных факторов.
Математическая модель изменения пористости асфальтобетона выглядит так
П3 = 26,28 – 5,55 x1 – 2,20 x2 + 1,01 x3+ 0,29 x2 x3 + 0,32 x1 x3 +
+ 0,90 x12 + 0,61 x22 – 0,82 x32.
Математическая модель изменения водонасыщения
асфальтобетона выглядит следующим образом
В = 12,57–3,43 x1 – 3,86 x2 + 1,43 x3 – 1,08 x1 x2 – 0,87 x1 x3 +
+ 0,92 x2 x3 + 1,53 x12 + 1,37 x22 + 1,27 x32.
В этих формулах: x1 – кодированное значение содержания битума в смеси (варьируется в пределах от 7 до 11%);
x2 – кодированное значение уплотняющей нагрузки (варьируется в пределах от 10 до 50 МПа; x3 – кодированное значение
количества циклов замораживания-оттаивания (варьируется в
пределах от 0 до 100 циклов). Переход от физических значений к кодированным осуществляется по формулам:
х1 
Х1  9
,
2
х2 
Х
2
 30
,
20
х3 
Х 1  50
.
50
Анализ математической модели изменения пористости
позволяет выяснить влияние каждого параметра на остаточную
пористость асфальтобетона из шлаковых материалов. Увеличение содержания битума и уплотняющей нагрузки приводит к
уменьшению пористости, причем увеличение уплотняющей на142
грузки сказывается в меньшей степени, чем содержание битума
(коэффициенты при линейных значениях x1 больше, чем при x2);
увеличение количества циклов замораживания-оттаивания приводит к некоторому разуплотнению материала.
Более наглядное представление о влиянии содержания
битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания представляется возможным при анализе графических зависимостей, построенных по модели пористости
(рис. 3.6.6).
Рис. 3.6.6. Зависимость пористости асфальтобетона из гранулированного доменного шлака от содержания битума, уплотняющей нагрузки
и количества циклов замораживания-оттаивания
По всей видимости, в первые циклы замораживанияоттаивания происходит некоторая деструкция асфальтобетонного монолита. Одновременно происходит процесс диффузии воды
через пленку битума и после 50-75 циклов замораживанияоттаивания при содержании битума до 10% конструктивные
процессы начинают преобладать над деструктивными вследствие гидратации шлакового материала под битумной пленкой,
модификации поверхности шлаковых зерен и заполнения кри143
сталлогидратами как внутризерновых, так и межзерновых пор.
При содержании битума более 10% толщина битумной пленки
увеличивается, что затрудняет процесс диффузии воды и уменьшает гидролиз и гидратацию шлакового материала. Пористость
начинает незначительно увеличиваться при замораживанииоттаивании свыше 75 циклов. Такое явление происходит при содержании битума 10-11% и любой уплотняющей нагрузке.
Таким образом, асфальтобетоны на основе гидравлически активных материалов обладают способностью к восстановлению первоначальной структуры вследствие самозалечивания
дефектов, возникающих при попеременном замораживанииоттаивании. Причем следует отметить, что процессы образования кристаллизационного каркаса в образовавшихся в результате деструкции минерального материала трещинах происходят с
большей скоростью, чем в свободном объеме, что объясняется
структурообразующим действием поверхностей микротрещин.
По математической модели построены графики изменения водонасыщения асфальтобетона из шлаковых материалов
(рис. 3.6.7).
Рис. 3.6.7. Зависимость водонасыщения асфальтобетона из гранулированного доменного шлака от содержания битума, уплотняющей нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
144
Как видно из рис. 3.6.7, водонасыщение асфальтобетона с
увеличением количества циклов замораживания-оттаивания возрастает при меньшем содержании битума и большей уплотняющей нагрузке. С увеличением содержания битума в смеси меняется характер изменения водонасыщения. Последнее можно объяснить тем, что при увеличении содержания битума в смеси увеличивается толщина битумной пленки на зернах шлака, диффундирование воды через пленку битума замедляется, соответственно этому замедляется модификация поверхности зерен шлака и
армирование пленки битума образуемыми при этом кристаллогидратами. Замерзающая вода легко прорывает битумные пленки, перекрывающие межзерновые замкнутые поры.
Что касается значительного увеличения водонасыщения при меньшем изменении пористости, то это явление заслуживает более подробного рассмотрения, поскольку, по
нашему мнению, это является экспериментальной предпосылкой создания теории морозостойкости капиллярнопористых тел коагуляционно-конденсационной структуры,
обладающих значительно меньшим коэффициентом теплопроводности, чем вода и тем более лед.
Известно, что замерзающая вода увеличивается в объеме на 9,3% и создает при невозможности свободного расширения значительные внутренние напряжения, превышающие
предел прочности материала на растяжение [27, 41, 140]. В то
же время известно [13], что вода увеличивается в объеме при
переходе в лед только в интервале температур от +4 до –4 °С
и что при температуре –4 °С и ниже лед сжимается, и коэффициент его температурного линейного (объемного) сжатия
на порядок выше, чем у минерального остова, составляющего
конгломерат. Поэтому трудно ожидать, что с понижением
температуры будут создаваться такие огромные напряжения,
которые будут приводить к деструкции материала.
В этом аспекте рассмотрения заслуживает внимания
теория морозостойкости капиллярно-пористых тел, развиваемая сотрудниками научно-исследовательского института
строительной физики [13, 14]. Согласно этой теории процесс
замораживания водонасыщенных капиллярно-пористых тел,
обладающих значительно большим коэффициентом тепло145
проводности, чем вода, складывается из нескольких этапов.
При замораживании водонасыщенного материала замерзает
вода вблизи поверхности пор вследствие теплопередачи через слой адсорбированной влаги. Внутри поры вода оказывается как бы в обойме льда, который образуется у стенок пор.
При дальнейшем охлаждении вследствие давления расширяющейся при замерзании воды и термического сжатия
обоймы льда, в котором находится вода в поре материала,
обойма льда разрывается, и вода выходит в поровое пространство, которое уже не полностью заполнено водой, так
как лед начинает сжиматься при температуре ниже –4 °С.
Эта теория может быть применена и к асфальтобетону
из шлаковых материалов с существенными изменениями. Как
было показано выше, асфальтобетоны из шлаковых материалов обладают меньшим коэффициентом теплопроводности
по сравнению с водой и льдом. Процесс замораживания водонасыщенных асфальтобетонов можно представить следующим образом (рис. 3.6.8).
В начальный момент замораживания вода замерзает в
порах на поверхности асфальтобетона из шлаковых материалов, а затем происходит ее замерзание по центру пор в виде
стержня. Вследствие расширения льда вода частично отжимается в поры, не заполненные водой. При температуре ниже
–4 °С начинается термическое сжатие льда и происходит
подсос воды в пору из мест, где она еще не замерзла (см. рис.
3.6.8, а и б) и «стержневой» лед образуется в большом количестве, не оказывая практически никакого давления на стенки поры. При этом, как показали дилатометрические исследования, до 20% воды при температуре –20 °С находится в
адсорбционно-связном состоянии, и она не переходит в лед.
На эту воду оказывает влияние поверхность пор.
В этом отношении интересны данные, приводимые в работе [95], где показаны размеры кристаллов льда в зависимости
от диаметра капилляра. Так, по данным авторов, при температу0
ре –2 °С при диаметре капилляра 208 A размер кристалла льда
0
0
равен 180 A ; при –6 °С – соответственно 83 и 58 A ; при –10 °С –
0
0
соответственно 59 и 36 A , а при –20 °С – 35 и 18 A . Толщина
146
слоя адсорбированной влаги при температуре –20 °С равна
0
8,5 A . Можно полагать, что примерно такая же толщина адсорбированной влаги будет и в асфальтобетоне из шлаковых материалов, поры которого пронизаны кристаллогидратами.
Рис. 3.6.8. Схема замерзания воды в порах асфальтобетона
из шлаковых материалов
При размораживании образца (см. рис. 3.6.8, б) лед начинает расширяться и давить на адсорбционно-сольватную
воду. Эта вода мигрирует в поры, свободные от воды, и следовательно не происходит деструкции асфальтобетона из
шлаковых материалов при попеременном замораживанииоттаивании.
147
Такая схема процессов, происходящих при замораживании-оттаивании асфальтобетона, приемлема при коэффициенте заполнения открытых пор меньше 0,9. При коэффициенте заполнения пор больше 0,9 происходят те же процессы, только при замораживании материала адсорбционная вода под влиянием расширяющегося льда прорывает битумные
пленки, перекрывающие межзерновые пустоты, и устремляется в них, снижая давление льда на стенки пор материала.
Следствием этого в нашем случае и наблюдается иногда увеличение или уменьшение водонасыщения после замораживания-оттаивания (табл. 3.3.2).
Резюмируя вышеизложенное, можно сделать обобщающие выводы по вопросам морозостойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов.
Воздействие знакопеременных температур на водонасыщенные асфальтобетоны на основе шлаковых материалов
усиливает процессы структурообразования. Электронномикроскопическими исследованиями доказано возникновение коагуляционно-конденсационных структур вследствие
модификации поверхности шлаковых зерен при гидратации.
Наряду с увеличением молекулярной составляющей сил адгезии, связанной с образованием кристаллогидратов, усиливается роль диффузной составляющей сил адгезии. Поры в
шлаке и асфальтобетоне из шлаковых материалов из дефектов структуры превращаются в наиболее прочный элемент
вследствие армирования их волокнистыми кристаллогидратами. Битум, находящийся в порах шлаковых материалов и в
межзерновых порах, армируется тонковолокнистыми кристаллогидратами.
Установлено оптимально необходимое содержание битума в асфальтобетонных смесях на основе гидравлически
активных минеральных компонентов. Специфические особенности взаимодействия шлаковых материалов с битумом
не позволяют говорить об оптимальном содержании битума в
смеси, так как оптимальная структура асфальтобетона характеризуется не наивысшей, а оптимально необходимой прочностью, с которой сочетаются достаточная деформативная
способность и высокая морозостойкость.
148
Изучение структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов после воздействия знакопеременных температур показало их высокую морозостойкость,
которая позволяет устраивать покрытия из них вплотную до
заморозков и на влажном основании. Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов можно устраивать в зонах
избыточного увлажнения вследствие усиления процессов
структурообразования в условиях увлажнения. Спектрографические исследования позволяют говорить об отсутствии
старения битума под воздействием знакопеременных температур.
Активность шлакового материала, применяемого в асфальтобетонных смесях, оказывает существенное влияние на
морозостойкость. Увеличение гидравлической активности
шлакового материала значительно повышает морозостойкость асфальтобетонных покрытий. Установлено влияние
вязкости битума на морозостойкость асфальтобетона из шлаковых материалов. С увеличением вязкости битума морозостойкость материала повышается.
149
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАТИВНЫХ
И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Изучением поведения материала под действием нагрузок занимается реология. Реологии асфальтобетонных материалов в последние годы уделяется значительное внимание.
Большинство исследователей считают, что чем больше релаксация напряжений, тем выше трещиностойкость. По нашему мнению, трещиностойкость определяется предельным
относительным удлинением и вязкостью ненарушенной
структуры, а не релаксацией, так как релаксация снижает
температурные напряжения, а не температурные деформации. Потому в нашей работе изучали влияние замораживания-оттаивания не только на пределы прочности при изгибе,
но и вязкость ненарушенной структуры, ползучесть и предельное относительное удлинение, а также хрупкость.
4.1. ВЛИЯНИЕ РЕЦЕПТУРНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
И КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРЕДЕЛЫ ПРОЧНОСТИ
ПРИ ИЗГИБЕ
Повышение грузонапряженности автомобильных дорог приводит к увеличению эксплуатационных нагрузок, которым подвергается асфальтобетон в дорожных покрытиях.
Для оценки деформативной способности предложено значительное число показателей: коэффициент теплоустойчивости,
предел прочности на растяжение при изгибе, предельное относительное удлинение, ползучесть и скорость ползучести,
модули деформации и упругости, вязкость ненарушенной
структуры, кинетические характеристики и др. (Н.М. Распопов, М.М. Гоглидзе, С.В. Бельковский, Н.В. Горелышев, Н.Н.
Иванов, В.В. Михайлов, Б.И. Ладыгин, А.М. Богуславский
И.М. Руденская). В настоящее время в нашей стране нормируется предел прочности при изгибе, предел прочности при
сжатии при температуре 0 °С [102] и предел прочности при
расколе по ГОСТ 9128-97. В то же время следует отметить,
что определяющим параметром с точки зрения деформативной способности являются как предел прочности при изгибе,
150
так и предельное относительное удлинение при изгибе, а
также вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона.
Асфальтобетонные материалы работают в дорожной
конструкции в самых разнообразных условиях. При движении автомобилей в покрытии возникают прогибы, вызывающие деформации растяжения при изгибе; при торможении
автомобильного транспорта асфальтобетон подвергается значительным напряжениям сдвига; при колебании температуры
воздуха в покрытии возникают растягивающие или сжимающие напряжения, а при морозном пучении земляного полотна
возникают деформации растяжения и сжатия при изгибе.
Свойства асфальтобетонных материалов изменяются в
широких пределах в зависимости от температуры, вида напряженного состояния, величины напряжения и времени действия
нагрузки, причем влияние этих факторов неоднозначно.
Основные режимы загружения, встречающиеся при
эксплуатации и принятые в исследованиях, следующие: действие постоянной нагрузки, деформирование с постоянной
скоростью, периодический режим загружения.
Режим действия постоянно возрастающей нагрузки
принят при определении предела прочности при изгибе балочек размером 40х40х160 мм, приготовленных из асфальтобетонной смеси на шлаковых материалах.
В работе исследовали изменение предела прочности
при изгибе асфальтобетона из гранулированного доменного
шлака, шлакового песка Новолипецкого металлургического
комбината и битумов марок БНД 60/90 и БНД 90/130 в зависимости от уплотняющей нагрузки, содержания битума в
смеси, возраста образцов, количества циклов замораживанияоттаивания, температуры испытания.
Изучение влияния содержания битума, уплотняющей
нагрузки и температуры испытания на пределы прочности
при изгибе проводили на асфальтобетоне из гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 90/130 с применением математического метода планирования экстремальных
экспериментов. Условия планирования и матрица эксперимента приведены в табл. 2.2.2 и 2.2.3. Уплотняющая нагрузка
Х изменяется в пределах от 10 до 50 МПа, а содержание би151
тума – от 7 до 11 % сверх 100 % минеральной части (кодированные значения изменяются от –1 до +1).
Переход от кодированных значений к физическим
осуществляется по формулам:
Х  30
Х  9
х1  1
и
х2  2
.
20
2
В результате проведения эксперимента и обсчета матрицы планирования получены математические модели изменения предела прочности при изгибе в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки при температурах –
20, 0 и +20 °С:
R-20 = 4,93 +2,01 x1+ 0,75 x2 + 0,03 x1 x2 + 0,02 x12 + 0,26 x22; (1)
R0 = 2,59 +1,13 x1+ 0,43 x2 – 0,18 x1 x2 + 0,05 x12 + 0,18 x22; (2)
R20 = 0,84 + 0,28 x1+ 0,22 x2 – 0,02 x1 x2 + 0,12 x12 – 0,07 x22. (3)
Все уравнения адекватно отражают процесс изменения
прочности при изгибе.
Анализ математических моделей позволил установить,
что прочность при изгибе при температуре –20 °С возрастает
при увеличении уплотняющей нагрузки и содержания битума, так как коэффициенты при линейных значениях x1 и x2
имеют положительный знак. Значения коэффициентов при
линейных переменных указывают на то, что прочность в
большей степени зависит от уплотняющей нагрузки, нежели
от содержания битума; коэффициент при x1 x2 указывает, что
совместное увеличение содержания битума и уплотняющей
нагрузки также приводит к увеличению предела прочности
при изгибе. При температуре 0 °С на предел прочности при
изгибе положительное влияние оказывает увеличение содержания битума и уплотняющей нагрузки, причем уплотняющая нагрузка более чем в два раза оказывает влияние, чем
содержание битума в смеси. При температуре +20 °С предел
прочности при изгибе также возрастает с увеличением содержания битума и уплотняющей нагрузки, причем их влияние практически равнозначно.
Более детальный анализ влияния каждого из приведенных факторов можно провести по графикам, построенным
по этим моделям (рис. 4.1.1).
152
Рис. 4.1.1. Изменение предела прочности на растяжение при изгибе
асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 60/90 в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки в возрасте 2 суток.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Анализ рис. 4.1.1 позволил установить, что предел
прочности при изгибе возрастает с увеличением содержания
битума в смеси и с увеличением уплотняющей нагрузки при
любой температуре.
Исследования изменения предела прочности при изгибе в зависимости от возраста образцов и уплотняющей нагрузки при температурах –20, 0 и +20 °С проводили на асфальтобетонах следующих составов:
1. Гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД
60/90 – 9 %;
2. Гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД
90/130 – 9 %;
3. Шлаковый песок Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9 %;
4. Шлаковый песок Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9 %.
Матрица эксперимента приведена в табл. 2.2.2, а условия планирования в табл. 4.1.1.
Интервалы варьирования переменных были назначены
на основе предварительных поисковых исследований.
153
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
Х  30
Х 2  90
х1  1
и
х2 
.
20
90
Таблица 4.1.1. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости от уплотняющей нагрузки и возраста образцов к моменту испытания
Факторы
Физическое значение
переменных
Х1 – уплот- Х2 – возраст образняющая на- цов к началу замогрузка, МПа раживания, сут.
50
180
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
+1
+1
Условия
Верхний уровень
Х вi
Нижний уровень
Х iн
10
0
–1
–1
Основной уровень Х 0i
30
90
0
0
Шаг варьирования  i
20
90
Математические модели, полученные после реализации опытов и обсчета матрицы планирования, представлены
в табл. 4.1.2. Все уравнения адекватно отражают процесс изменения прочности при изгибе.
По математическим моделям построены графики (рис.
4.1.2-4.1.5).
Рассмотрим отдельно математические модели 4-9 и рис.
4.1.2 и 4.1.3 асфальтобетонных материалов на основе гранулированного шлака и битумов марок БНД 60/90 и БНД 90/130.
При температуре испытания +20 °С характер изменения предела прочности на растяжение при изгибе асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90 аналогичен асфальтобетону на битуме
марки БНД 90/130. Коэффициенты при линейном x2 больше,
чем при x1. Это указывает на то, что возраст образцов к моменту
испытания оказывает большее влияние на предел прочности,
чем уплотняющая нагрузка. Как с повышением уплотняющей
нагрузки, так и с увеличением возраста образцов к началу замораживания-оттаивания предел прочности на растяжение при изгибе возрастает. Увеличение прочности объясняется продол154
жающимися процессами структурообразования. Структурообразование происходит как в результате модификации поверхности зерен гранулированного шлака, так и вследствие диффузии
битума и его компонентов в поры материала.
Рис. 4.1.2. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и
температуры асфальтобетона состава: гранулированный доменный
шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
При температуре 0 °С на предел прочности на растяжение при изгибе большее влияние оказывает уплотняющая
нагрузка по сравнению с возрастом образцов к моменту испытания (коэффициенты при линейных x1 больше x2). В остальном характер изменения прочности аналогичен пределу
прочности на растяжение при изгибе при температуре +20 °С.
При температуре испытания –20 °С у асфальтобетона
на гранулированном доменном шлаке и битуме марки БНД
60/90 наблюдается максимум предела прочности при изгибе.
По всей видимости, процессы структурообразования в асфальтобетоне на основе гранулированного шлака и битума
марки БНД 60/90 протекают более интенсивно, чем на битуме марки БНД 90/130, и структурированный битум меньше
изменяет свои свойства при отрицательной температуре.
155
156
Рис. 4.1.3. Зависимость предела прочности на растяжение при
изгибе от уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и температуры асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%,
битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Характер изменения предела прочности на растяжение
при изгибе асфальтобетона на шлаковом песке и битумах марок БНД 60/90 и 90/130 (математические модели 10-15 и рис.
4.1.4, 4.1.5) аналогичен асфальтобетону на гранулированном
доменном шлаке, только интенсивность нарастания предела
прочности меньше.
Было изучено также влияние знакопеременных температур на изменение предела прочности при изгибе. Условия
планирования и матрица приведены в таблицах 4.1.3 и 2.2.2.
Содержание битума в смесях принято 9% (сверх 100% минеральной части).
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
x1

Х 1  30
20
и
x2

Х
2
 50
50
.
Математические модели изменения предела прочности
на растяжение при изгибе приведены в таблице 4.1.4. Все
уравнения адекватно отражают процесс изменения прочности
при изгибе.
157
Детальный анализ математических моделей 15-27 таблицы 4.1.4 и рис. 4.1.6-4.1.9 показывает, что при положительных
температурах предел прочности на растяжение при изгибе с
увеличением количества циклов замораживания-оттаивания повышается с возрастанием уплотняющей нагрузки.
Рис. 4.1.4. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе от
уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и температуры асфальтобетона состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 4.1.5. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, возраста образцов к моменту испытания и
температуры асфальтобетона состава: шлаковый песок Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
158
Это является следствием модификации поверхности
шлаковых зерен, приводящих к увеличению их удельной поверхности за счет образования кристаллогидратов, пронизывающих битумные пленки и армирующих их. Повышение адгезионной и когезионной прочности наряду с увеличением межмолекулярного контакта объясняется еще и с позиции диффузной теории адгезии. Кристаллогидраты защемляют битум и тем
самым увеличивают механическую адгезию битума к поверхности шлакового материала. Интенсивность увеличения предела
прочности при изгибе у асфальтобетона на более активных
компонентах (гранулированном доменном шлаке) выше, чем у
асфальтобетона на менее активных (шлаковом песке).
Таблица 4.1.3. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от уплотняющей
нагрузки и количества циклов замораживания-оттаивания
Факторы
Условия
Физическое значение
переменных
Х1 – уплот- Х2 – количестняющая на- во циклов замораживаниягрузка,
оттаивания
МПа
50
100
Кодированное
значение
переменных
x1
x2
+1
+1
Верхний уровень
Х вi
Нижний уровень
Х iн
10
0
–1
–1
Основной уровень
Шаг варьирования
Х 0i
30
50
0
0
i
20
50
С точки зрения структурирующей способности особенность асфальтобетона на гидравлически активных наполнителях при воздействии знакопеременных температур проявляется при исследовании предела прочности на растяжение
при изгибе в области отрицательных температур. На рис.
4.1.6-4.1.9 видим, что предел прочности на растяжение при
изгибе у асфальтобетона имеет экстремальное значение.
Для асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака и битума марки БНД 90/130 наибольший предел прочности на растяжение при изгибе наблюдается после
159
25-75 циклов замораживания-оттаивания в зависимости от
величины уплотняющей нагрузки, а у асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90 область максимальных значений предела прочности на растяжение при изгибе при температуре –
20 °С смещается в область большего воздействия количества
циклов замораживания-оттаивания (50-75 циклов).
Рис. 4.1.6. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
При воздействии знакопеременных температур на водонасыщенные образцы происходит длительный контакт с
водой, который сопровождается процессами диффузии воды
через битумную пленку. Система пор и капилляров шлакового материала отсасывает избыток воды внутрь материала, а
остальная вода расходуется на модификацию поверхности
шлака. Чем выше вязкость битума и толще пленка его на поверхности минеральных материалов, тем меньше воды продиффундирует через нее. Этим можно объяснить то, что максимальный предел прочности на растяжение при изгибе наблюдается у асфальтобетона на битуме марки БНД 90/130
при воздействии меньшего количества циклов замораживания-оттаивания и при большей уплотняющей нагрузке, чем у
асфальтобетона на битуме марки БНД 60/90.
160
161
Рис. 4.1.7. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Таким образом, при воздействии знакопеременных
температур на асфальтобетоны с использованием активных
минеральных составляющих структура битумной пленки оптимизируется, весь битум переходит в структурированное состояние, и он в меньшей степени подвержен температурному
воздействию.
Аналогичные результаты получены при исследовании
асфальтобетона на основе шлакового песка (см. рис. 4.1.8 и
4.1.9). Достижение максимального предела прочности при
изгибе смещается в область 50-100 циклов замораживанияоттаивания. Это является следствием меньшей гидравлической активности шлакового песка, модификация поверхности
которого происходит более длительное время.
162
Рис. 4.1.8. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
Рис. 4.1.9. Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе
от уплотняющей нагрузки, количества циклов замораживанияоттаивания и температуры испытания асфальтобетона состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
163
4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО
ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Как отмечают авторы [139], по величине предела
прочности на растяжение при изгибе нельзя судить о трещиностойкости асфальтобетонных покрытий. Наиболее приемлемым для прогнозирования трещиностойкости и долговечности является показатель предельного относительного удлинения при изгибе.
Было исследовано предельное относительное удлинение при изгибе асфальтобетона на основе гранулированного
доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината и битума марки БНД 90/130 в зависимости от содержания битума, уплотняющей нагрузки и температуры испытания (матрица планирования и условия эксперимента приведены в таблицах 3.1.1 и 4.2.1).
Таблица 4.2.1. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от уплотняющей
нагрузки, содержания битума в смеси и температуры испытания
Факторы
Х1 – уплотняющая нагрузка,
МПа
50
Условия
Верхний уровень Х вi
Нижний уровень Х iн
Основной уровень Х 0i
Шаг варьирования 
i
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
Х2 – соХ3 –
держание темпебитума в ратура x1
смеси, % испытания, °С
11
+20
+1
x2
х3
+1
+1
–1
0
10
7
– 20
–1
–1
30
20
9
2
0
20
0
0
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
х1 
Х 1  30
,
20
х2 
Х
164
2
 9
,
2
х3 
Х1  0
.
20
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования построена математическая модель
 = (28,11 + 1,67 x1+ 4,49 x2+ 12,15 x3– 0,64 x12– 2,26 x22– 3,15 x32–
– 1,72 x1 x2 +2,04 x1 x3 + 4,01 x2 x3)·10-3,
где  – предельное относительное удлинение при изгибе;
x1 – кодированное значение уплотняющей нагрузки
(физическое значение изменяется от 10 до 50 МПа);
x2 – кодированное содержание битума в смеси (физическое значение изменяется от 7 до 11%);
x3 – кодированное значение температуры испытания материала (физическое значение изменяется от –20 °С до +20 °С.
Уравнение адекватно отражает процесс изменения
предельного относительного удлинения при изгибе.
Анализ математической модели позволяет установить
некоторые закономерности:
1) наибольшее влияние на предельное относительное удлинение при изгибе оказывает температура испытания; с увеличением температуры предельное относительное удлинение увеличивается, на что указывает знак при переменном x3;
2) вторым фактором по своей значимости является содержание битума в смеси;
3) уплотняющая нагрузка также увеличивает предельное относительное удлинение при изгибе.
Построенный по математической модели рис. 4.2.1 позволил более детально выявить влияние каждого фактора на
предельное удлинение при изгибе.
В области положительных температур с увеличением
содержания битума в смеси и уплотняющей нагрузки относительное удлинение при изгибе возрастает, причем содержание битума в смеси оказывает большее влияние, чем уплотняющая нагрузка. Иная картина наблюдается при исследовании относительного удлинения в области отрицательных
температур. При температуре 0 °С с увеличением уплотняющей нагрузки влияние содержания битума на предельное относительное удлинение при изгибе сказывается меньше. Интенсивность роста предельного удлинения при изгибе при
температуре 0 °С снижается.
165
Предельное относительное удлинение, 10 -3
10
48
44
40
20
Уплотняющая нагрузка, МПа
30
40
20
20
36
0
10
32
0
10
24
-10 0
-10 0
20
16
-200
0
-10
12
8
7
8
9 10 11
7
8
0
0
20
10 0
10
0
0
0
0
0
0
-100
-200
-200
-10
-200
-20 0
20
0
00
00
28
0
10
0
0
0
20
0
50
7 8 9 10 11
7 8
9 10 11
7 8 9 10 11
Содержание битума в смеси, %
9
10 11
Рис. 4.2.1. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры
испытания и содержания битума марки БНД 90/130 на предельное
относительное удлинение асфальтобетона из гранулированного
доменного шлака НЛМЗ.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
При температуре –10 °С и –20 °С наблюдается максимальное значение предельного относительного удлинения при
уплотняющей нагрузке и содержании битума. Максимальное
значение предельного удлинения при изгибе при температуре –
10 °С с увеличением уплотняющей нагрузки смещается в область меньшего содержания битума. Аналогичное изменение
происходит при температуре –20 °С, причем при этой температуре с увеличением уплотняющей нагрузки абсолютная величина максимального удлинения при изгибе уменьшается.
Полученные закономерности, на первый взгляд, кажутся противоречивыми. Казалось бы, следовало ожидать
увеличения предельного относительного удлинения при повышении содержания битума [23]. Однако относительное удлинение должно было бы тоже увеличиваться с возрастанием
уплотняющей нагрузки, так как весь битум переходит в
структурированное состояние вследствие дробления шлаковых зерен и увеличения удельной поверхности, толщина битумной пленки в это время имеет оптимальную величину.
166
Это явление происходит и в реальных условиях, но здесь накладывается явление эффекта диффузии битума в поры материала (того битума, который продиффундировал в поры без
изменения группового состава). При увеличении уплотняющей нагрузки зерна шлакового материала дробятся, продифундированный в поры битум освобождается и расходуется
на создание битумной пленки оптимальной толщины.
О деструкции асфальтобетонных материалов в процессе периодического замораживания-оттаивания некоторые авторы судят по изменению предельного относительного удлинения. По их данным [132], при увеличении количества циклов замораживания-оттаивания относительное удлинение
уменьшается, что свидетельствует о деструктивных процессах. Проведенные ими исследования относятся к асфальтобетонным материалам на основе инертных компонентов.
В наших исследованиях в асфальтобетоне применяются гидравлически активные минеральные компоненты (гранулированные доменные шлаки, шлаковые и шлакопемзовые
пески) и поэтому были проведены исследования по изучению
влияния воздействия знакопеременных температур на предельное относительное удлинение при изгибе [60]. Использовали метод математического планирования экстремальных
экспериментов. Условия планирования и матрица эксперимента приведены в табл. 4.2.2 и 3.1.1, исследования проводили на асфальтобетонах следующих составов:
1) гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД
60/90 – 9%;
2) гранулированный доменный шлак Новолипецкого
металлургического комбината – 100%, битум марки БНД
90/130 – 9%;
3) шлаковый песок Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%.
Независимыми переменными были приняты: уплотняющая нагрузка (x1), температура испытания (x2) и количество циклов замораживания-оттаивания (x3).
167
Таблица 4.2.2. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона
из шлаковых материалов в зависимости от уплотняющей
нагрузки, температуры испытания и количества циклов
замораживания-оттаивания
Факторы
Кодированное
значение
переменных
Физическое значение
переменных
Х1 –
уплотУсловия
няющая
нагрузка, МПа
в
50
Верхний уровень Х i
10
Нижний уровень Х iн
30
Основной уровень Х 0i
20
Шаг варьирования 
i
Х2 –
температура
испытания, 0 С
+20
-20
0
20
Х3 – количество циклов замо- x1
раживанияоттаивания
100
+1
0
–1
50
0
50
-
x2
x3
+1
–1
0
-
+1
–1
0
-
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
x1 
Х 1  30
20
,
x2

Х
 0
20
2
,
x3 
Х 1  50
50
.
Математические модели для 1,2, 3 составов выглядят
соответственно следующим образом:
 = (28,16 + 6,55 x1+ 11,55 x2 + 0,14 x3 – 8,67 x12 + 0,68 x22 +
+ 2,76 x32 + 5,33 x1 x2 + 9,08 x1 x3 – 3,38 x2 x3)·10-3,
(1)
 = (29,02 + 2,51 x1+ 15,5 x2 – 0,88 x3 + 1,27 x12 + 3,88 x22 +
+ 0,82 x32 + 0,42 x1 x2 + 0,78 x1 x3 – 1,38 x2 x3)·10-3,
(2)
 = (20,11 + 2,57 x1+ 15,56 x2 – 0,82 x3 + 1,21 x12 + 3,82 x22 +
+ 0,76 x32+ 0,33 x1 x2 +0,69 x1 x3 –1,47 x2 x3)·10-3.
(3)
Уравнения адекватно отражают процесс изменения
предельного относительного удлинения при изгибе.
Анализ математических моделей и построенных по
ним графиков (рис. 4.2.2 и 4.2.3) позволяет установить зна-
168
чимость каждого фактора на предельное относительное удлинение при изгибе и закономерности его изменения.
Как и следовало ожидать, предельное относительное удлинение при изгибе с понижением температуры уменьшается
для всех составов асфальтобетонных материалов, но влияние
вида вяжущего и минерального материала прослеживается.
Рассмотрим математическую модель 1 и рис. 4.2.2. Из
рис. 4.2.2 видно, что с увеличением уплотняющей нагрузки
предельное относительное удлинение асфальтобетона состава № 1 изменяется коренным образом с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания. При уплотняющей нагрузке 10 МПа предельное относительное удлинение
при изгибе с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания снижается в 3,5 раза при температуре +20 °С
и в 3,8 раза – при температуре –20 °С. С увеличением уплотняющей нагрузки влияние воздействия знакопеременных
температур на предельное относительное удлинение при изгибе уменьшается и приобретает положительное влияние
(предельное относительное удлинение увеличивается). Интересен также тот факт, что при уплотняющих нагрузках 20-30
МПа предельное относительное удлинение при изгибе при
положительных температурах снижается с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания, а при отрицательных – возрастает. При уплотнении асфальтобетона на основе гранулированного доменного шлака и битума марки
БНД 60/90 нагрузками 40-50 МПа предельное относительное
удлинение при изгибе возрастает с первых циклов замораживания-оттаивания. По всей видимости, при уплотняющей нагрузке 10 МПа пленка битума на поверхности материала препятствует диффундированию влаги и образованию органоминеральных соединений. С увеличением уплотняющей нагрузки толщина пленки битума на поверхности частиц
уменьшается, и вода диффундирует через нее. Происходит
модификация поверхности гранулированного шлака, и образуются органоминеральные соединения, которые более деформативны при отрицательных температурах.
В области положительных температур с увеличением содержания битума в смеси и уплотняющей нагрузки относитель169
ное удлинение при изгибе возрастает, причем содержание битума
в смеси оказывает большее влияние, чем уплотняющая нагрузка.
Иная картина наблюдается при исследовании относительного удлинения в области отрицательных температур. При температуре
0 °С с увеличением уплотняющей нагрузки влияние содержания
битума на предельное относительное удлинение при изгибе сказывается меньше. Интенсивность роста предельного удлинения
при изгибе при температуре 0 °С снижается.
Рис. 4.2.2. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры испытания
и количества циклов замораживания-оттаивания на предельное
относительное удлинение асфальтобетона состава: гранулированный
доменный шлак НЛМЗ – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
Аналогичные явления наблюдаются у асфальтобетона на
гранулированном шлаке и битуме марки БНД 90/130. Отличие
состоит только в том, что процессы структурообразования происходят более длительное время, также как и у асфальтобетонной смеси на основе шлакового песка и битума марки БНД
90/130 (рис 4.2.3).
Таким образом, воздействие знакопеременных температур оказывает положительное влияние на деформативность
асфальтобетона из шлаковых материалов, особенно при отрицательных температурах.
170
Рис. 4.2.3. Влияние уплотняющей нагрузки, температуры испытания и
количества циклов замораживания-оттаивания на предельное относительное удлинение асфальтобетона состава: шлаковый песок НЛМЗ –
100%, битума марки БНД 90/130 – 9%.
Цифры на кривых – температура испытания асфальтобетона, °С
4.3. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ВЯЗКОСТИ
НЕНАРУШЕННОЙ СТРУКТУРЫ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ
ПОКРЫТИЙ ПО УСЛОВИЯМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
При исследовании реологических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов установлено, что они обладают
ползучестью при отрицательных температурах (рис. 4.3.1).
Ползучесть асфальтобетона из шлаковых материалов
при отрицательных температурах является положительным
фактором, значительно снижающим вероятность возникновения трещин в покрытиях. На рис 4.3.1 представлены кривые ползучести асфальтобетона из шлаковых материалов, испытанного в возрасте 2 суток с момента формовки при разных температурах. Характерной точкой на графике является
точка «а», соответствующая минимальной скорости деформирования и делящая график на два симметричных участка.
Скорость деформирования на первом участке непрерывно за171
Деформация (прогиб), мм
тухает до некоторого минимального значения, зависящего от
величины приложенной нагрузки, а затем начинает ускоренно возрастать.
2,4
+20
+10
2,0
1,6
1,2
-10
0,8
-20
0,4
Время, минуты
Рис.4.3.1. Ползучесть асфальтобетона из шлаковых материалов.
Цифры на кривых – температура испытания, °С
Асфальтовый бетон – материал с ярко выраженными
реологическими свойствами, проявление которых определяется температурой, характером напряженного состояния и
продолжительностью воздействия напряженного состояния.
В настоящее время достаточно полно изучены и вскрыты зависимости между прочностными и деформативными свойствами оптимальной структуры, что позволяет устанавливать
рациональные составы с учетом общих закономерностей.
Большой вклад в изучение реологических свойств асфальтовых бетонов внесли работы Н.В. Горелышева, С.К. Носкова,
И.А. Рыбьева, А.М. Богуславского, А.В. Руденского, И.М.
Руденской, Б.И. Ладыгина и других ученых. На основе работ
в этой области установлено, что в качестве показателя трещиностойкости асфальтовых и битумоминеральных бетонов
целесообразно применять ньютоновскую вязкость ненарушенной структуры. Исходя из условий деформирования асфальтовых покрытий при охлаждении с учетом релаксации
напряжений Б.И. Ладыгиным и И.К. Яцевич получено выражение для допускаемой вязкости асфальтобетона при отсутствии неравномерного пучения [89]
172
0 
(1   ) р 
.
d
3 а
dt
В последующем эта формула была уточнена [37]
0 
(1   ) р 
,
d
3( а   o )
dt
где
 0 – вязкость ненарушенной структуры, МПа·с;
 – коэффициент Пуассона;
 р  – предел прочности материала на растяжение, МПа;
 а и  о – соответственно коэффициенты линейного
температурного расширения асфальтового бетона и основания, 1/°С;
d
– критическая скорость охлаждения покрытия,
dt
°С/сек.
По данным А.М. Богуславского [9], максимальную
скорость охлаждения покрытий автомобильных дорог можно
принять 8 °С/час. Коэффициент поперечного расширения 
принимаем, по данным Г.К. Сюньи [131]: для асфальтобетонных материалов на битуме марки БНД 60/90, равным 0,08,
а на битуме марки БНД 90/130 – 0,07 при температуре –20 °С.
С.И. Самодуров приводит данные о величине коэффициента температурного расширения для асфальтобетона из
шлаковых материалов и материалов основания:
для асфальтобетона на основе гранулированных доменных шлаков – 24х10-6 1/°С;
для асфальтобетона на шлаковом песке 29х10-6 1/°С;
для основания из тощего цементобетона 15х10-6 1/°С;
для оснований из грунта, укрепленного тонкомолотым
гранулированным доменным шлаком – 16х10-6 1/°С;
для основания из щебня, укрепленного гранулированным доменным шлаком – 20х10-6 1/°С.
Коэффициент линейного температурного расширения
для щебеночных оснований принят 10х10-6 1/°С [123].
173
Проведенные исследования по определению предела
прочности на растяжение методом математического планирования асфальтобетона на основе гранулированного шлака и
битумов марок БНД 69/90 и БНД 90/130, а также асфальтобетона на шлаковом песке и битуме марки БНД 60/90 позволили выявить закономерности изменения предела прочности на
растяжение в зависимости от температуры испытания и уплотняющей нагрузки (рис. 4.3.2).
Рис. 4.3.2. Зависимость предела прочности на растяжение от уплотняющей нагрузки и температуры испытания асфальтобетона состава: А –
гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки БНД 60/90 –
9%; Б – гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки БНД
90/130 – 9%; В – шлаковый песок – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
При положительных температурах влияние уплотняющей
нагрузки на предел прочности на растяжение незначительно.
При отрицательных температурах с увеличением уплотняющей
нагрузки предел прочности существенно возрастает.
Используя вышеприведенные данные, получены величины предельной вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона на различного вида основаниях без учета морозного пучения грунта в зависимости от вида шлакового материала, марки
битума и величины уплотняющей нагрузки (таблица 4.3.1).
174
Таблица 4.3.1. Предельная вязкость ненарушенной
структуры асфальтобетона из шлаковых материалов
по условиям трещиностойкости при температуре –20 °С
Основание из:
грунта, ук- щебня, укУплот- тощего репленного репленного
Состав
няющая цементо- тонкомоло- гранулиро- щебня
асфальтобетоннагрузка, бетона тым грану- ванным доной смеси
лированным менным
МПа
шлаком
шлаком
предельная вязкость ненарушенной
структуры, 106 МПа·с
10
18,4
20,7
41,4
11,8
Гранулированный 20
25,3
28,5
57,0
16,3
доменный шлак –
30
33,7
38,0
76,0
21,7
100%, битум
40
40,6
45,7
91,4
26,1
БНД 60/90 – 9%
50
48,3
54,3
108,6
31,1
10
12,56
14,13
28,24
8,07
Гранулированный 20
17,52
19,71
39,32
11,25
доменный шлак –
30
22,48
25,29
50,46
14,44
100%, битум
40
26,82
30,17
60,20
17,23
БНД 90/130 – 9%
50
31,78
35,75
71,34
20,42
10
13,61
14,66
21,16
10,00
Шлаковый пе20
17,00
18,27
26,37
12,49
сок – 100%, би30
23,17
24,96
36,03
17,06
тум
40
27,12
29,21
42,16
19,97
БНД 60/90 – 9%
50
31,75
34,20
49,36
23,38
Как видно из результатов таблицы, величина предельной
вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона в значительной степени зависит от материала основания дорожной
одежды. Минимальная предельная вязкость ненарушенной
структуры наблюдается на основаниях из щебеночного материала; максимальное значение предельной вязкости ненарушенной структуры, как и следовало ожидать, наблюдается у асфальтобетонных покрытий, устроенных на щебне из малопрочных известняков, укрепленных гранулированными доменными
шлаками. Предельная вязкость ненарушенной структуры с увеличением уплотняющей нагрузки увеличивается.
175
М.Я. Куделко предложил считать предельное значение
вязкости ненарушенной структуры с учетом морозного пучения по формуле [86]
 P 
0 
,
 а d 4 d 
3
 

1   dt L2 dt
где
Z – половина критической глубины промерзания, до
которой еще происходит неравномерное пучение; по рекомендациям А.Я. Тулаева, принимается равной толщине дорожной одежды [44];
L – расстояние между крайними точками покрытия,
для которых радиус кривизны постоянный; принимается по
данным А.Я Тулаева [44] по формуле
B
L= ,
m
B – ширина проезжей части,
m – коэффициент запаса на неравномерность пучения,
принимаемый равным 2,
d
– скорость морозного пучения грунта земляного
dt
полотна, рассчитанная по формуле М.Я. Куделко [86]
d  r  Kп  Z
=
,
dt
50Z кр2
где  к – климатический коэффициент,
K п – коэффициент пучения грунта,
Z – расчетная глубина промерзания грунта,
Z кр – критическая глубина промерзания грунта.
На основе анализа напряженного состояния асфальтобетонного покрытия при отрицательных температурах
нами предложена формула определения величины предельной вязкости ненарушенной структуры с учетом конкретных климатических условий, свойств асфальтового бетона, конструкции дорожной одежды и грунтовогидрологических условий [53].
176
 P 
0 
3
 а   0 d 4 d 
 

1   dt L2 dt
.
Для условий Вологодской области нами были рассчитаны по этой формуле предельные вязкости ненарушенной
структуры (табл. 4.3.2) для асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
При расчетах принято  к =100 см2/сут, остальные данные
взяты из литературных источников [44, 86, 125] и рис. 4.3.2.
Анализ результатов, представленных в таблице 4.3.2, позволяет установить минимальную величину предельной вязкости
ненарушенной структуры асфальтобетона из шлаковых материалов с учетом морозного пучения грунтов, вида основания, на которое уложено покрытие, типа подстилающих грунтов земляного
полотна и характера местности по условиям увлажнения.
Влияние вида основания в существенной степени сказывается на значении предельной вязкости ненарушенной структуры.
Максимальные величины вязкости ненарушенной структуры по
условиям трещинообразования наблюдаются у асфальтобетонных
смесей, уложенных на основания из щебня, укрепленного гранулированным доменным шлаком, а минимальное – на основаниях
из щебня.
4.4. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
Вязкость ненарушенной структуры асфальтобетонных
материалов определяли по методу «осаждающих» цилиндров, разработанному Я.Н. Ковалевым [80].
Исследование вязкости асфальтобетона из шлаковых
материалов в зависимости от содержания битума и уплотняющей нагрузки при положительных и отрицательных температурах проводили на асфальтобетоне состава: гранулированный доменный шлак и битум марки БНД 90/130 с использованием математического метода планирования экстремальных экспериментов. Независимыми переменными приняты:
содержание битума в смеси и уплотняющая нагрузка. Условия планирования и матрица эксперимента приведены в таблицах 2.2.2 и 2.2.3.
177
178
Математические модели вязкости
структуры выглядят следующим образом:
при температуре –20 °С:
ненарушенной
η-20 = (0,05 – 0,008 x1– 0,28 x2+ 0,37 x12+ 0,45 x22– 0,01 x1 x2)·1013 Па·с,
при температуре 20 °С:
η20 = (3,49 + 0,77 x1+ 0,06 x2 – 0,4 x12– 0,3 x22 + 0,45 x1 x2)·1010 Па·с,
при температуре 50 °С:
η50 = (7,08 + 2,95 x1+ 0,49 x2+1,01 x12– 1,41 x22+ 0,5 x1 x2)·109 Па·с.
В этих формулах x1 – уплотняющая нагрузка, МПа,
x2 – содержание битума в смеси, %.
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
Х  30
Х  9
х1  1
,
х2  2
.
20
2
Уравнения адекватно отражают процесс изменения
вязкости ненарушенной структуры.
По математическим моделям построены графики (рис.
4.4.1) изменения вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона из шлаковых материалов.
Анализ полученных результатов позволяет установить
интересные закономерности изменения вязкости ненарушенной
структуры при положительных и отрицательных температурах.
При температуре +50 °С установлено, что вязкость ненарушенной структуры изменяется от содержания битума в
смеси и величины уплотняющей нагрузки. Максимальное
значение вязкости наблюдается при оптимальном количестве
битума в смеси. Это указывает на повышенную теплоустойчивость битумной пленки оптимальной толщины.
Следует отметить тот факт, что с увеличением уплотняющей нагрузки максимальное значение вязкости интенсивно
увеличивается. Значение вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона из шлаковых материалов при температуре +50 °С
на основе шлаковых материалов значительно превышает вязкость асфальтобетона на природных материалах [38], и поэтому
сдвигоустойчивость шлаковых асфальтобетонных покрытий
значительно выше, чем у асфальтобетонных на природных материалах. Сдвиговые деформации на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов отсутствуют.
179
Рис. 4.4.1. Изменение вязкости ненарушенной структуры от содержания битума марки БНД 90/130 и уплотняющей нагрузки асфальтобетона из гранулированного доменного шлака
Новолипецкого металлургического комбината.
Цифры на кривых – уплотняющая нагрузка, МПа
При отрицательной температуре –20 °С (рис. 4.4.1) установлено, что вязкость ненарушенной структуры минимальное значение имеет при оптимальном содержании битума, то
есть битумная пленка оптимальной толщины наиболее деформативная при отрицательных температурах. Вязкость ненарушенной структуры уменьшается до уплотняющей нагрузки 30 МПа при определенном содержании битума, а затем увеличивается.
180
По величине вязкость ненарушенной структуры значительно ниже предельной вязкости по условиям трещинообразования при температуре –20 °С (табл. 4.3.2), следовательно,
на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов
вероятность трещинообразования при сохранении первоначальных свойств материала незначительная.
Во времени вязкость ненарушенной структуры при положительных и отрицательных температурах возрастает (рис. 4.4.2).
Рис. 4.4.2. Влияние возраста образцов на вязкость ненарушенной
структуры асфальтобетона составов: 1 – гранулированный доменный
шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%; 2 – гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марка БНД 90/130 – 9%;
3 – шлаковый песок НЛМК – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%
Воздействие
попеременного
замораживанияоттаивания на асфальтобетоны из шлаковых материалов повышает вязкость ненарушенной структуры при отрицательных температурах, что связано, по всей видимости, с образованием коагуляционно-конденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными сростками (рис. 4.4.3).
Асфальтобетоны на основе шлакового песка значительно
меньше увеличивают вязкость ненарушенной структуры при воздействии знакопеременных температур по сравнению с асфальтобетонами на основе гранулированного доменного шлака, что
связано с повышенной гидравлической активностью последнего.
При положительных температурах вязкость ненарушенной
структуры возрастает для всех составов асфальтобетона.
181
Рис. 4.4.3. Влияние замораживания-оттаивания на вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона составов: 1 – гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%; 2 – гранулированный доменный шлак НЛМК – 100%, битум марка БНД 90/130 – 9%;
3 – шлаковый песок НЛМК – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%
Асфальтобетон при различных воздействиях ведет себя как упругое, упруго-вязкое или пластическое тело. Наиболее близка к механическим свойствам асфальтобетона модель
Богуславского А.М., которая соединила элементы Максвелла
и Кельвина (они описывают упруго-вязкие свойства асфальтобетона) и элемент Сен-Венана (он описывает пластические
свойства) [9].
Кинетические характеристики асфальтобетона определяли по методу А.М. Богуславского (табл. 4.4.1).
А.М. Богуславский теоретически и экспериментально
доказал, что для обеспечения деформационной устойчивости
необходимо, чтобы отношение Р1/Р2 при температуре 50 °С
было не более 0,005, а для обеспечения деформативной способности при отрицательной температуре –10 °С отношение
Р1/Р2 было не менее 0,0003 [9]. Эти данные относятся к асфальтобетону на природных каменных материалах.
182
Таблица 4.4.1. Изменение реологических параметров
асфальтобетона в возрасте 2-х суток в зависимости от
температуры испытания, степени уплотнения и содержания
битума марки БНД 90/130 в смеси
Кинетические
Степень
Содержание
Температура
характеристики
уплотнения, битума в смеси,
испытания,
Р 1 /Р 2
МПа
%
°С
1
2
3
4
Асфальтобетон из гранулированного доменного шлака
+50
0,001097
+20
0,000975
7
0
0,000184
–10
0,000174
–20
0,000068
+50
0,001088
+20
0,000556
10
9
0
0,000112
–10
0,000155
–20
0,000008
+50
0,001043
+20
0,000811
11
0
0,000174
–10
0,000160
–20
0,000012
+50
0,000901
+20
0,000520
7
0
0,000148
–10
0,000139
–20
0,000087
+50
0,000650
+20
0,000513
9
30
0
0,000255
–10
0,000197
–20
0,000111
+50
0,001280
+20
0,000466
11
0
0,000236
–10
0,000244
–20
0,000068
183
Продолжение табл. 4.4.1
1
50
10
30
2
3
+50
+20
7
0
–10
–20
+50
+20
9
0
–10
–20
+50
+20
11
0
–10
–20
Асфальтобетон из шлакового песка
+50
+20
7
0
–10
–20
+50
+20
9
0
–10
–20
+50
+20
11
0
–10
–20
+50
+20
7
0
–10
–20
184
4
0,001103
0,000307
0,000242
0,000244
0,000101
0,001283
0,000592
0,000259
0,000160
0,000004
0,001532
0,000544
0,000346
0,000143
0,000011
0,001140
0,000505
0,000206
0,000146
0,000136
0,001680
0,000390
0,000209
0,000154
0,000058
0,001760
0,000586
0,000139
0,000108
0,000058
0,001300
0,000315
0,000202
0,000130
0,000114
Продолжение табл. 4.4.1
+50
+20
0
–10
–20
+50
+20
0
–10
–20
+50
+20
0
–10
–20
+50
+20
0
–10
–20
+50
+20
0
–10
–20
9
30
11
7
50
9
11
0,001770
0,000356
0,000240
0,000115
0,000024
0,001540
0,000404
0,000244
0,000142
0,000099
0,001400
0,000286
0,000163
0,000154
0,000042
0,001440
0,000277
0,000187
0,000125
0,000006
0,001425
0,000257
0,000188
0,000168
0,000061
Для асфальтобетона на шлаковых материалах, обладающих гидравлической активностью, это отношение Р1/Р2
должно быть не менее 0,0001 при температуре –10 °С и не
более 0,002 при температуре 50 °С (табл. 4.4.1).
4.5. ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОНА
Асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог в
процессе эксплуатации подвергаются динамическим ударным воздействиям. Ударная вязкость для асфальтобетонов из
шлаковых материалов до настоящего времени не изучалась.
С этой целью были проведены исследования по изучению
185
ударной вязкости (хрупкости) асфальтобетонов на основе
гранулированного доменного шлака и шлакового песка в зависимости от степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры испытания. Матрица планирования и условия эксперимента приведены в таблицах 3.1.1 и 4.2.1.
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
x1 
Х 1  30
,
20
x2 
Х
2
 9
,
2
x3 
Х1  0
,
20
где
x1 – кодированное значение уплотняющей нагрузки
(физическое значение изменяется от 10 до 50 МПа);
x2 – кодированное содержание битума в смеси (физическое значение изменяется от 7 до 11%);
x3 – кодированное значение температуры испытания материала (физическое значение изменяется от –20 °С до +20 °С.
Для изучения влияния возраста к моменту испытания и
условий хранения после изготовления образцов асфальтобетона их поделили на три серии:
одну серию испытали в возрасте 2 суток с момента изготовления при хранении в комнатных условиях на воздухе;
вторую серию испытали в возрасте 360 суток с момента изготовления при хранении в комнатных условиях на воздухе;
третью серию образцов поместили на улице под открытым небом на уровне 1 м от поверхности земли, где она
подвергалась воздействию атмосферно-климатических факторов (солнечная ультрафиолетовая радиация, осадки в виде
дождя и мокрого снега, высокая температура в летний период
времени и замораживание-оттаивание – в зимний период) в
течении 360 суток.
В результате обсчета матрицы планирования были получены математические модели (1-5), адекватно отражающие
изменения ударной вязкости, и построены графики изменения хрупкости в зависимости от вышеперечисленных факторов (рис. 4.5.1-4.5.5).
186
Для асфальтобетона из гранулированного доменного
шлака, испытанного в возрасте 2-х суток с момента изготовления, математическая модель выглядит следующим образом:
У = 13,5 + 2,1 x1 + 2,9 x2 + 6,6 x3 + 0,9 x1 x3 + 1,4 x2 x3 – 0,2 x12–
– 0,2 x22 + 2,3 x32.
(1)
Рис. 4.5.1. Изменение ударной вязкости асфальтобетона из гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината
в возрасте 2 суток с момента изготовления в зависимости oт степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры испытания.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Для асфальтобетона из гранулированного доменного
шлака, испытанного в возрасте 360 суток с момента изготовления, математическая модель выглядит следующим образом:
У = 18,6 + 2,7 x1 + 3,3 x2 + 7,6 x3 + 1,9 x2 x3 – 1,6 12+
+ 0,4 x22 + 3,9 x32.
187
(2)
Рис. 4.5.2. Изменение ударной вязкости асфальтобетона из гранулированного шлака Ново-Липецкого металлургического комбината в возрасте 360 суток с момента изготовления в зависимости oт степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры испытания.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Третья серия образцов асфальтобетона из гранулированного доменного шлака хранилась на улице под открытым
небом в течение 360 суток. На эти образцы воздействовали
атмосферно-климатические факторы: солнечная радиация,
осадки в виде дождя и мокрого снега, высокая температура в
летний период времени и замораживание-оттаивание – в
зимний период.
Математическая модель выглядит следующим образом:
У = 24,2 + 5,9 x1 + 3,1 x2 + 1,8 x3 + 1,1 x1 x2 + x1 x3 + 0,75 x2 x3
– 0,36 12 - 0,86 х22 + 2,14 х32.
(3)
Для всех математических моделей общим является увеличение ударной вязкости с повышением температуры испытания, степени уплотнения и содержания битума в смеси.
188
Рис. 4.5.3. Изменение ударной вязкости асфальтобетона из гранулированного шлака Новолипецкого металлургического комбината после
натурного замораживания в возрасте 360 суток с момента изготовления в зависимости oт степени уплотнения, содержания битума в смеси
и температуры испытания.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
Анализ математических моделей 1-3 и рис. 4.5.1-4.5.3
позволил установить следующее:
1) Коэффициенты при свободных членах увеличиваются
при испытании в возрасте 360 суток по сравнению с 2 сутками соответственно 18,6 и 13,5, а для образцов, подвергнутых воздействию атмосферно-климатических факторов, еще больше – до 24,2.
2) Наибольшее влияние на ударную вязкость асфальтобетона из шлаковых материалов оказывает температура (коэффициенты при линейных и квадратичных x3 больше, чем при x1 и x2).
3) В области отрицательных температур (0 - –20 °С)
при степени уплотнения 10 МПа прослеживается закономерность, подтверждающая, что процессы структурообразования
в асфальтобетоне из шлаковых материалов продолжаются
189
длительное время с момента объединения битума с минеральным материалом.
Так, в возрасте 2 суток образцы выдерживают при
температуре испытания –20 °С 6-11 ударов до разрушения, а
в возрасте испытания 360 суток – уже 9-13 ударов. Это еще
раз подтверждает роль и приемлемость диффузной теории
адгезии к асфальтобетону из шлаковых материалов.
4) При хранении образцов под открытым небом в течение 360 суток, где они подвергались воздействию атмосферно-климатических факторов (осадки в виде дождя и снега, ультрафиолетовое облучение, положительные и отрицательные температуры), они выдерживают при той же температуре испытания –20 °С уже 13-17 ударов. Это указывает
на физико-химическое взаимодействие шлаковых материалов
с битумом с образованием органоминеральных соединений,
которые более деформативны и пластичны при отрицательных температурах.
5) Высокие летние температуры ускоряют процесс
гидролиза и гидратации шлаковых минералов и способствуют образованию коагуляционно-конденсационной структуры, упрочненной кристаллизационными сростками в местах
контакта шлаковых зерен и армированием порового пространства гидросиликатами кальция (рис. 4.5.4).
Рис. 4.5.4. Армирование порового пространства асфальтобетона
из шлаковых материалов гидросиликатами кальция
190
Присутствие на поверхности шлакового материала и в
битуме активных функциональных групп позволяет говорить
о значительной роли молекулярной адгезии, приводящей к
возникновению двойного электрического слоя и увеличению
роли электростатической составляющей сил адгезии.
6) В области отрицательных температур (0- –20 °С)
при степени уплотнения 50 МПа прослеживается та же закономерность, только немного возрастает влияние содержания
битума на количество ударов до разрушения.
7) При положительных температурах испытания указанные выше тенденции сохраняются, но еще с большим
влиянием содержания битума в смеси.
Для асфальтобетона из шлакового песка, испытанного
в возрасте 360 суток с момента изготовления, математическая
модель выглядит следующим образом:
У = 18,3 + 4,3 x1 + 2,8 x2 + 5,4 x3 + x1 x2 + x1 x3 – 0,4 x12 –
– 0,9 x22 – 2,1 x32.
(4)
Для асфальтобетона из шлакового песка, испытанного
после натурного замораживания в возрасте 360 суток с момента изготовления, математическая модель выглядит следующим образом:
У = 17,4 + 3,8 x1+ 2,7 x2+ 4,7 x3– 0,41 12– 0,9 x22+ 2,1 x32.
(5)
По полученным математическим моделям были построены графики изменения хрупкости в зависимости от степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры
испытания (рис. 4.5.4).
Анализируя математические модели 4,5 и построенные
по ним графики, можно отметить следующее:
1) Для асфальтобетонов на шлаковом песке ударная
вязкость также повышается с увеличением степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры испытания.
2) Происходит незначительное снижение ударной вязкости после воздействия атмосферно-климатических факторов по сравнению с образцами, хранившимися в комнатных
условиях 360 суток.
191
А
Б
Рис. 4.5.4. Изменение ударной вязкости асфальтобетона из шлакового
песка Новолипецкого металлургического комбината в возрасте
360 суток (А) и после натурного замораживания в возрасте 360 суток с
момента изготовления (Б) в зависимости oт степени уплотнения, содержания битума в смеси и температуры испытания.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
192
3) Уменьшение ударной вязкости после натурного замораживания связано с меньшей гидравлической активностью шлакового песка по сравнению с гранулированным доменным шлаком, меньшей модификацией поверхности и
меньшим количеством образуемых органоминеральных соединений.
В таблице 4.5.1 приведена выборка ударной вязкости асфальтобетона из шлаковых материалов и сопоставление ее с асфальтобетоном из природных каменных материалов при степени уплотнения 40 МПа.
Таблица 4.5.1. Ударная вязкость асфальтобетона
Наименование
асфальтобетона
Условия
испытания
Асфальтобетон из
природных минеральных материалов (по Богуславскому [9])
-
Гранулированный
доменный шлак
НЛМК – 100%,
битум марки
БНД 90/130 – 9%
Шлаковый песок
НЛМК -100%,
битум марки БНД
90/130 – 9%
Количество ударов, необходимых
для разрушения образцов при температуре испытания, °С
–20 –10 0 +10 +15 +20
2 суток с момента изготовления
360 суток с момента изготовления
360 суток после
натурного замораживания
360 суток с момента изготовления
360 суток после
натурного замораживания
-
-
4
11
16
-
10
12
15
19
-
24
16
17
20
24
-
31
24
26
27
28
-
28
17
18
20
24
-
28
17
17
19
22
-
26
Как видно из таблицы, асфальтобетон из шлаковых
материалов отличается повышенным сопротивлением ударным нагрузкам при отрицательных температурах, он значительно пластичнее асфальтобетона из природных каменных
материалов:
193
при температуре 0 °С – в 3,75-6,75 раза;
при температуре –10 °С – в 3-6,5 раза (по сравнению с
0 °С);
при температуре –20 °С – в 2,5-6 раз (по сравнению с
0 °С).
При положительных температурах асфальтобетон из
шлаковых материалов выдерживает большее число ударов по
сравнению с асфальтобетоном из природных каменных материалов:
при температуре +10 °С – в 1,7-2,5 раза;
при температуре +20 °С – в 2,2-2,8 раза (по сравнению
с +10 °С).
При разности температур в 15 °С для асфальтобетона
из природных каменных материалов ударная вязкость отличается в 4 раза; для асфальтобетонов из шлаковых материалов при разности температур 40 °С ударная вязкость отличается лишь в 1,2 -2,4 раза. Это свидетельствует о повышенной деформативной и деформационной способности асфальтобетонов из шлаковых материалов по сравнению с асфальтобетонами из природных каменных материалов. На асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов значительно меньше вероятность образования трещин в зимний
период времени при отрицательных температурах и образования наплывов, колейности и сдвиговых деформаций в летний период времени при высоких температурах.
Резюмируя вышеизложенное, можно сделать обобщающие выводы по вопросам морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов.
Специфические особенности взаимодействия шлаковых материалов с битумом не позволяют говорить об оптимальном содержании битума в смеси, так как оптимальная
структура асфальтобетона характеризуется не наивысшей, а
оптимально необходимой прочностью, с которой сочетаются
достаточная деформативная способность и высокая морозостойкость.
Исследованиями предельного относительного удлинения при изгибе подтверждено влияние диффузной теории ад194
гезии на повышение деформативных свойств асфальтобетона
при отрицательных температурах.
На основании изучения деформативных и реологических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов установлена критическая вязкость ненарушенной структуры по
условиям трещиностойкости при температуре –20 °С. Предложена формула для определения вязкости ненарушенной
структуры, учитывающая виды материала основания и грунта, тип местности по характеру увлажнения. Лучшими видами оснований под асфальтобетонные покрытия из шлаковых
материалов по условиям трещиностойкости являются каменные материалы, укрепленные гранулированным доменным
шлаком; грунты, укрепленные тонкомолотым гранулированным шлаком и доменные шлаки (отвальные и литые).
Асфальтобетон из шлаковых материалов отличается
повышенным сопротивлением ударным нагрузкам при отрицательных температурах, он значительно пластичнее асфальтобетона из природных каменных материалов; при положительных температурах он значительно вязче. Вследствие этого на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов
значительно меньше вероятность образования трещин в зимний период времени при отрицательных температурах и образования наплывов, колейности и сдвиговых деформаций в
летний период времени при высоких температурах.
195
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ НА ПОКРЫТИЯ ИЗ ШЛАКОВОГО
АСФАЛЬТОБЕТОНА
За последние годы появилось большое количество работ по исследованию влияния эксплуатационных и климатических воздействий на изменение свойств асфальтобетона.
Значительная часть этих исследований посвящена вопросам
моделирования внешних воздействий на асфальтобетон с целью прогнозирования его эксплуатационной надежности.
Известные способы испытания асфальтобетонов на
коррозионно-механическую прочность заключаются в том,
что образцы подвергают воздействию внешних факторов, а
затем испытывают после каждого отдельного вида воздействия. С их помощью практически невозможно учесть влияние
комплекса эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетон, как это имеет место в реальных условиях эксплуатации асфальтобетонных покрытий. Для приближения
характера испытаний асфальтобетона к условиям реальной
эксплуатации в покрытиях автомобильных дорог и сокращения их продолжительности представляется наиболее целесообразным цикл испытаний, при которых происходит последовательное накопление в одних и тех же образцах асфальтобетона результатов комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов [91, 93, 146].
5.1. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для моделирования комплекса воздействий внешних
факторов из всего их многообразия нами были приняты три:
вибровакуумное водонасыщение, циклическое замораживание-оттаивание и облучение искусственным солнечным светом при температуре до +60 °С и периодическом орошении
водой в атмосфере, содержащей озон.
Одним из механизмов разрушения асфальтобетона в
условиях водонасыщения является образование импульсных
гидродинамических давлений в порах под действием динамических нагрузок от подвижного транспорта.
196
Исследованиями ГипродорНИИ было доказано, что механизм ускоренного усталостного разрушения водонасыщенного асфальтобетона при работе покрытия в режиме циклических
динамических нагружений обусловлен в определенной степени
возникновением импульсных гидродинамических давлений в
насыщенных водой порах [109].
Вводя в комплекс воздействий фактор вибровакуумного
водонасыщения, брали в расчет, что при движении автомобиля,
в зависимости от скорости и ровности покрытия, частота колебаний, передаваемых автомобилем покрытию, составляет от 10
до 25 Гц, а фильтрация воды в порах покрытия происходит преимущественно под действием вакуума, создаваемого шинами
движущегося по покрытию автотранспорта.
Установка вибровакуумного водонасыщения состоит
из стальной цилиндрической вакуумной камеры емкостью 10
л, укрепленной на вибростенде типа УВ-70/100 и вакуумного
насоса МР-10.
Предварительно взвешенные и измеренные образцы
асфальтобетона помещались в вакуумную камеру, внутренняя поверхность стенок которой имела резиновое покрытие,
заполняли ее водой, а затем с помощью вакуумного насоса в
камере создавалось давление остаточное порядка (0,1330,199)·10 Н/м 2 и включали вибростенд (рис. 5.1.1).
Суммарное расчетное число приложений расчетной
нагрузки к точке на поверхности конструкции дорожной
одежды за весь срок службы определяют по видоизмененной
формуле [102]
∑N p = 0,7 N p K c T рдг k n ,
g
( Tc  1 )
где
N p – приведенная интенсивность на последний год
службы, авт./сут;
T рдг – число расчетных дней в году, соответствующее
водонасыщенному состоянию покрытия конструкции (определяется в соответствии с [28]);
Т сл – расчетный срок службы, лет, допускается назначать в соответствии с рекомендациями [102];
197
k n – коэффициент, учитывающий вероятность отклонения суммарного движения от среднего ожидаемого [102];
К c – коэффициент суммирования [102];
g – показатель изменения интенсивности движения
данного типа автомобиля по годам.
Рис. 5.1.1. Установка вибровакуумного
водонасыщения образцов асфальтобетона: 1 – плита
вибростенда;
2 – вакуумная камера; 3, 4 – вакуумметры; 5 – вакуумный насос
Ниже приведен расчет суммарного расчетного числа
приложений расчетной нагрузки для дороги III технической
категории, расположенной в III дорожно-климатической зоне
(Воронежская область).
Приведенная к нагрузке типа А интенсивность движения на конец срока службы N p = 900 авт./сут; приращение
интенсивности = 1,04.
Суммарное расчетное число приложений нагрузки к точке на поверхности конструкции в водонасыщенном состоянии
за весь срок службы равно (данные взяты из [102, 110]):
∑N p = 0,7 N p
Kc
g
(Tc 1)
T рдг k n = 0,7·900
=1452796.
198
20
145·1,32 =
1,04 (141)
Так как лабораторная динамическая установка при
частоте 12 Гц дает 43200 кол./ч, то время вибровакуумного
водонасыщения при моделировании эксперимента будет равно 1452796/43200 = 33,6 ч.
Для математического планирования эксперимента
принято время 20, 40 и 60 часов вибровакуумного водонасыщения (кодированное значение х1).
Для моделирования воздействия на асфальтобетон
знакопеременных температур разработана установка для ускоренного замораживания-оттаивания образцов. При разработке методики исходили из того, что высокая скорость охлаждения и оттаивания увеличивает разрушающий эффект
влияния знакопеременных температур на асфальтобетон. Установка создана на базе низкотемпературного шкафа
"Gronland T 25/01", дополненного электронным устройством,
обеспечивающим автоматический режим охлаждения и оттаивания в диапазоне температур от
–20 °С до +5 °С, и потенциометром для графического контроля величины и скорости температурных переходов. Контроль температуры осуществлялся термопарой, помещенной
внутри контрольных образцов. Скорость охлаждения составляла около 30 °С/ч, а оттаивания – около 60 °С/ч
(рис. 5.1.2).
Количество циклов замораживания-оттаивания, воздействующих на шлаковый асфальтобетон в реальных условиях эксплуатации в течение года, соответствует 5-12
циклам замораживания-оттаивания в лабораторных условиях при скорости охлаждения от 2 °C/ч до 5 °С/ч [62]. Если при сроке службы покрытия 14 лет общее количество
циклов следует принять 70-168 при замораживании со скоростью 2-5 °С, то при ускоренном замораживанииоттаивании количество следует определять по формуле
УСК
N МРЗ
= N ОБЩ / K ,
где К – коэффициент, учитывающий влияние скорости охлаждения на разрушение структуры асфальтобетона, в зависимости от свойств исходных компонентов принимается равным 1,5-5.
199
Для математического планирования эксперимента количество циклов ускоренного замораживания-оттаивания асфальтобетона из шлаковых материалов взяли 24, 62 и 100
циклов (кодированное значение х2).
Рис. 5.1.2. Установка
циклического замораживания-оттаивания в автоматическом режиме: 1 –
потенциометр КСП-4; 2 –
блок
автоматического
управления;
3 – переключатель термопар; 4 – низкотемпературный шкаф "Gronland T
25/01"
Для моделирования процессов термоокислительного
старения битума в асфальтобетоне использовали аппарат искусственной погоды ИП-1-3 (рис. 5.1.3), предназначенный
для ускоренных испытаний полимерных материалов.
Известно, что наиболее опасной для полимерных материалов является ультрафиолетовая радиация (длина волн
менее 400 нм). Согласно [110], на долю УФ-радиации, достигшей поверхности земли, приходится не более 3-4% общего потока суммарной солнечной радиации.
При этом на долю наиболее эффективной УФрадиации приходится лишь 0,1% суммарной радиации. Количество суммарной солнечной радиации за год для центральных районов европейской части России равно 2360 МДж/м2
[110], следовательно, на долю УФ-радиации приходится
2360 х 0,001 = 2,36 МДж/м2. Среднее значение световой
200
энергии, падающей на единицу площади в ультрафиолетовой
области в аппарате искусственной погоды при двух ртутнокварцевых лампах типа ПРК-2 за 1 ч равно 0,67 МДж/м2.
5
6
4
7
8
3
9
2
1
Рис. 5.1.3. Аппарат
искусственной погоды ИП-1-3: 1 – вентилятор; 2 – вращающийся барабан
для крепления образцов; 3 – образец;
4 – лампа дуговая;
5 – измеритель влажности; 6,7 – вольтметры;
8 – амперметр; 9 –
пусковые кнопки
Количество часов искусственного облучения для моделирования естественного годового облучения определяем
по расчету 2,36 : 0,67 = 3,52 ч.
За 14 лет службы покрытия количество часов искусственного облучения в камере составит 3,52 х 14 = 52,8 ч.
Для математического планирования эксперимента
принято 40, 50 и 60 ч облучения в камере при температуре
60 °С (кодированное значение x 3 ).
Для описания влияния комплекса факторов при исследовании асфальтобетона из шлаковых материалов применили
метод математического планирования экстремальных экспериментов – 17-ти точечный трехуровневый план второго порядка при числе факторов k = 3 (N = N 1 + Nα + n 0 . Матрица
и условия планирования приведены в таблицах 3.1.1 и 5.1.1.
201
Таблица 5.1.1. Условия планирования эксперимента
по изучению структурно-механических свойств асфальтобетона из шлаковых материалов в зависимости продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового
облучения и количества циклов замораживания-оттаивания
Факторы
Физическое значение
переменных
Х3 –
продолжительность
х1
УФоблучения, часы
60
+1
Х1 – продолжительность
вибровакуумного водонасыщения, часы
Х2 –
количество циклов
замораживанияоттаивания
Верхний уровень Х вi
60
100
Нижний уровень Х iн
20
24
40
Основной уровень Х 0i
40
62
Шаг варьирования  i
20
38
Условия
Кодированное
значение
переменных
х2
х3
+1
+1
–1
–1
–1
50
0
0
0
10
-
-
-
Переход от физических переменных к кодированным
осуществляется по формулам:
Х  40
Х  62
Х  50
x1  1
, (1) x 2  2
, (2) x 3  1
. (3)
20
38
10
5.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
ФАКТОРОВ НА АСФАЛЬТОБЕТОН ИЗ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Исследовали асфальтобетон состава: шлаковый песок
Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 60/90 – 9%.
Выходными параметрами были: предел прочности при
сжатии и расколе при температуре +20 °С (R C и R P ); сцепление при температуре +20 °С (С); статический и динамический
модули упругости (Е СТАТ , Е ДИН ).
Дополнительно проведены исследования реологических свойств: вязкости ненарушенной структуры, которую
202
определяли по методу Я.Н. Ковалева [80] и отношение кинетических характеристик Р1/Р2, которые определяли по методу
А.М. Богуславского [9].
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования получена математическая модель изменения
предела прочности при сжатии при температуре 20 °С (4):
R C = 3,29 + 0,3 х1 + 0,21 x1 x2 + 0,4 x1 x3 – 0,11 x2 x3 –
– 0,02 x12 + 0,42 x22 + 0,55 x32, МПа.
(4)
Анализ математической модели (4) и построенного по
ней рис. 5.2.1 позволили выяснить влияние исследуемых эксплуатационно-климатических факторов на предел прочности
при сжатии:
из коэффициентов переменных первой степени оказался значим только коэффициент при вибровакуумном водонасыщении (х1), которое увеличивает предел прочности при
сжатии;
коэффициенты при парных переменных x1 x2 и x1 x3
также приводят к увеличению, т.е. наблюдается явление синергизма совместного воздействия вибровакуумного водонасыщения – количества циклов ускоренного замораживанияоттаивания и вибровакуумного водонасыщения – ультрафиолетового облучения, а совместное воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения приводит к
снижению предела прочности при сжатии;
коэффициенты при квадратичных переменных неоднозначно влияют на предел прочности при сжатии: вибровакуумное водонасыщение незначительно снижает, а воздействия
ускоренного замораживания-оттаивания и УФ-облучения
существенно увеличивают предел прочности при сжатии в
пограничных областях. Положительные значения при квадратичных членах x12 и x32 свидетельствуют о наличии минимума предела прочности при сжатии при температуре 20 °С.
Более наглядно влияние факторов прослеживается при
анализе данных, приведенных на рис. 5.2.1.
При минимальном количестве часов УФ-облучения и
количестве циклов ускоренного замораживания-оттаивания
203
до 62 продолжительность вибровакуумного водонасыщения
уменьшает предел прочности при сжатии; при 81 цикле замораживания-оттаивания – вибровакуумное водонасыщение
практически не оказывает влияния на предел прочности при
сжатии, а при 100 циклах ускоренного замораживанияоттаивания предел прочности при сжатии даже несколько начинает возрастать с увеличением продолжительности вибровакуумного водонасыщения.
Рис. 5.2.1. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на предел прочности при
сжатии асфальтобетона при температуре +20 °С
С увеличением продолжительности УФ-облучения и количества циклов ускоренного замораживания-оттаивания вибровакуумное водонасыщение приводит к существенному возрастанию предела прочности при сжатии, причем чем больше
циклов замораживания-оттаивания и продолжительность УФоблучения, тем больше прирост предела прочности.
Как видно из рис. 5.2.1, при воздействии замораживания-оттаивания и УФ-облучения наблюдаются минимальные
204
значения пределов прочности при сжатии. Для определения
местонахождения этих экстремальных значений были взяты
первые производные dR/dx2 и dR/dx3 и приравнены к 0
dR/dx2 = 0,21х1 – 0,11х3 + 0,84х2 = 0,
отсюда х2 = (0,11x3 – 0,21x1)/0,84.
Подставляя в эту формулу кодированные значения x 1 и
x 3 в пределах от –1 до +1 и используя формулу (2), получены
физические значения количества циклов замораживанияоттаивания, при которых наблюдается минимальное значение
предела прочности при сжатии (табл. 5.2.1) в зависимости от
продолжительности вибровакуумного водонасыщения и УФоблучения.
Таблица 5.2.1. Количество циклов ускоренного
замораживания-оттаивания, при которых наблюдается
минимальное значение предела прочности
Продолжительность ультрафиолетового
облучения, часы
–1 (40 ч)
– 0,5 (45 ч)
0 (50 ч)
0,5 (55 ч)
1 (60 ч)
Продолжительность вибровакуумного
водонасыщения, часы
–1
– 0,5
0
0,5
1
(20 ч)
(30 ч)
(40 ч)
(50 ч)
(60 ч)
66,9
61,8
57,0
52,1
47,5
69,2
62,1
59,5
54,8
51,9
71,5
66,8
62,0
57,3
52,5
73,8
69,2
64,5
59,7
56,1
76,1
71,7
66,2
62,2
57,4
dR/dx3 = 0,4х1 – 0,11х2 + 1,1х3 = 0,
отсюда х3 = (0,11х2 – 0,4х1)/1,1.
Подставляя в эту формулу кодированные значения х1 и
х2 в пределах от –1 до +1 и используя формулу (3), получены
физические значения продолжительности УФ-облучения, при
которых наблюдается минимальное значение предела прочности при сжатии (табл. 5.2.2) в зависимости от продолжительности вибровакуумного водонасыщения и количества
циклов ускоренного замораживания-оттаивания
Полученные результаты можно объяснить тем, что
шлаковый песок является гидравлически активным минеральным материалом. При воздействии воды и УФ205
облучения при температуре +60 °С возникают микропропарочные камеры, процессы гидролиза и гидратации в шлаковом песке ускоряются и коагуляционная структура асфальтобетона упрочняется кристаллизационными сростками в местах контакта шлаковых зерен.
Таблица 5.2.2. Количество часов УФ-облучения,
при которых наблюдается минимальное значение предела
прочности на сжатие
Количество циклов
ускоренного
замораживанияоттаивания
–1 (24)
– 0,5 (43)
0 (62)
0,5 (81)
1 (100)
Продолжительность вибровакуумного
водонасыщения, часы
–1
– 0,5
0
0,5
1
(20 ч)
(30 ч)
(40 ч)
(50 ч)
(60 ч)
52,6
50,8
49,0
47,1
45,4
53,1
51,3
49,5
47,7
45,9
53,6
51,8
50
48,2
46,4
54,1
52,3
50,5
48,7
46,9
54,6
52,8
51
49,2
47,4
Пунктирная линия на чертеже показывает предел
прочности при сжатии эталонного образца асфальтобетона на
основе шлакового песка. Как видно из рис. 5.2.1, предел
прочности при сжатии при моделировании уменьшается к
семилетнему сроку (но остается выше требований стандарта)
эксплуатации покрытия, а к 14-летнему сроку достигает исходных значений.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования получена математическая модель изменения
предела прочности на растяжение при расколе при температуре
20 °С (5) и дана ее графическая интерпретация (рис. 5.2.2)
R P = 0,5+ 0,05 х2+ 0,06 x12 + 0,08 x22 + 0,12 x32, МПа.
(5)
Анализ математической модели 5 и рис. 5.2.2 позволяют установить следующее:
1. При линейных коэффициентах только замораживание-оттаивание приводит к увеличению предела прочности
на растяжение при расколе.
2. Положительные коэффициенты при квадратичных
членах свидетельствуют о наличии минимума предела прочности на растяжение при расколе.
206
3. Большое влияние на предел прочности при расколе
оказывает ультрафиолетовое облучение (коэффициенты при
x32 больше других коэффициентов).
4. Меньшее влияние оказывает замораживаниеоттаивание и продолжительность вибровакуумного водонасыщения.
Рис. 5.2.2. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на предел прочности при
расколе асфальтобетона при температуре +20 °С
Как видно из рис. 5.2.2, при воздействии циклов замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения наблюдаются минимальные значения пределов прочности на
растяжение при расколе. Для определения местонахождения
этих экстремальных значений были взяты первые производные dR/dx1, dR/dx2, dR/dx3 и приравнены к 0
dR/dx1 = 0,12 x1 = 0, x1= 0,
откуда из формулы 1 – Х1 = 40 ч.
Минимальное значение предела прочности на растяжение при расколе имеет место при продолжительности виб207
ровакуумного водонасыщения 40 ч при любой продолжительности ультрафиолетового облучения и любом количестве
циклов замораживания-оттаивания. Очевидно, что в первые
часы вибровакуумного водонасыщения происходит частичное отслаивание битумной пленки от поверхности шлакового
песка в силу его малой гидравлической активности, затем,
после 40 ч под действием ультрафиолетового облучения при
повышенной температуре, процессы гидролиза и гидратации
усиливаются, битумная пленка армируется кристаллогидратами, усиливается роль механической составляющей адгезии
и происходит увеличение предела прочности на растяжение
при расколе.
Для выявления количества циклов замораживанияоттаивания, при котором имеет место минимальное значение
предела прочности на растяжение при расколе была взята
первая производная dR/dx2 и приравнена к 0
dR/dx2= 0,05 + 0,16 x2= 0, x2 = – 0,05/0,16 = – 0,3125,
отсюда из формулы 2 – Х2 = 50 циклов.
Минимальное значение предела прочности на растяжение при расколе имеет место при 50 циклах замораживания-оттаивания при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения.
Для выявления продолжительности ультрафиолетового облучения, при котором имеет место минимальное значение предела прочности на растяжение при расколе была взята
первая производная dR/dx3 и приравнена к 0
dR/dx3 = 0,24x3 = 0 x3= 0,
отсюда из формулы 3 – Х3 = 50 ч.
Минимальное значение предела прочности на растяжение при расколе имеет место при 50 ч ультрафиолетового облучения при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения и количестве циклов замораживания-оттаивания.
Как видно из рис. 5.2.2, предел прочности на растяжение при расколе при моделировании уменьшается к семилетнему сроку (63 цикла замораживания-оттаивания) эксплуата208
ции покрытия, а к 14-летнему сроку достигает исходных значений.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования получена математическая модель изменения
статического модуля упругости при температуре 20 °С (6) и
дана ее графическая интерпретация (рис. 5.2.3)
Е СТ = 155,74 + 13,5 x3 + 14,38 x1 x3 – 6,73 x12 – 4,73 x22 +33,27 x32 (6)
Рис. 5.2.3. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на статический модуль упругости асфальтобетона при температуре +20 °С
Анализ математической модели 6 и рис. 5.2.3 позволяют установить следующее:
1. Увеличение продолжительности ультрафиолетового
облучения способствует повышению статического модуля
упругости (коэффициент при x3– отрицательный).
2. Совместное воздействие вибровакуумного водонасыщения и продолжительности ультрафиолетового облучения x1 x3
также способствует повышению статического модуля упругости.
3. Отрицательные коэффициенты при квадратичных
членах x12 и x22 свидетельствуют о наличии максимума вели209
чины статического модуля упругости при воздействии вибровакуумного водонасыщения и замораживания-оттаивания.
4. положительный коэффициент при x32 свидетельствует о наличии минимальных значений статического модуля
упругости при ультрафиолетовом облучении.
Пределы прочности при сжатии и растяжении, согласно
теории Мора, зависят от угла внутреннего трения и сцепления.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования получена математическая модель изменения
угла внутреннего трения при температуре 20 °С (7) и дана ее
графическая интерпретация (рис. 5.2.4)
φ = 48,15 – 1,54 х2 – 2,37x12 – 1,19 x22 – x32.
(7)
Рис. 5.2.4. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на угол внутреннего трения
асфальтобетона при температуре +20 °С
210
Анализ математической модели 7 и рис. 5.2.4 позволяют установить влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на угол внутреннего трения асфальтобетона:
1. Увеличение количества циклов замораживанияоттаивания способствует повышению угла внутреннего трения (коэффициент при х2 – отрицательный).
2. Отрицательные коэффициенты при квадратичных
членах свидетельствуют о наличии максимума величины угла внутреннего трения при воздействии вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного
замораживания-оттаивания.
3. Максимальная величина угла внутреннего трения
наблюдается при 40 ч вибровакуумного водонасыщения, 50 ч
ультрафиолетового облучения и 37 циклах ускоренного замораживания-оттаивания.
Форма и характер поверхности частиц оказывают
большое влияние на величину угла внутреннего трения. Острогранная модифицированная поверхность шлакового песка
способствует повышенной величине угла внутреннего трения
асфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном на природных каменных материалах (по данным [38] угол внутреннего
трения асфальтобетона на природных каменных материалах
равен 30 градусам). Асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов более устойчивы к образованию сдвиговых
деформаций, наплывов, волн, колейности в летний период
времени.
Сцепление зависит в основном от вязкости исходного
битума, соотношения битум-минеральный порошок, характера взаимодействия битума с минеральными материалами.
Нами проведены исследования по влиянию комплексного
воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на сцепление.
В результате реализации опытов и обсчета матрицы
планирования получена математическая модель сцепления
211
при температуре 20 °С (8) и дана ее графическая интерпретация (рис. 5.2.5)
C = 0,64 + 0,04 x1 + 0,05 x1 x3 + 0,03x12 + 0,09 x22 + 0,14 x32, МПа. (8)
Рис. 5.2.5. Влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на сцепление при температуре +20 °С
Анализ математической модели 8 и рис. 5.2.5 позволяют установить влияние комплексного воздействия продолжительности вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания на
сцепление:
при линейных членах только увеличение продолжительности вибровакуумного водонасыщения влияет на сцепление (наличие коэффициента x1);
при парных членах x1 x3 на сцепление оказывают влияние продолжительность вибровакуумного водонасыщения и
ультрафиолетового облучения, при этом наблюдается синергизм воздействия этих факторов;
212
положительные коэффициенты при квадратичных членах x1 , x22, x32 свидетельствуют о наличии минимума величины сцепления при воздействии вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и ускоренного замораживания-оттаивания, причем наибольшее влияние на сцепление оказывает продолжительность ультрафиолетового облучения;
минимальная величина сцепления наблюдается при 62
циклах замораживания-оттаивания (при приравнивании первой производной dR/dx2= 0) для любой продолжительности
вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения;
при продолжительности ультрафиолетового облучения
до 50 ч наблюдается минимальная величина сцепления при
продолжительности вибровакуумного водонасыщения от 0 до
50 ч, затем происходит увеличение сцепления;
при продолжительности ультрафиолетового облучения
свыше 50 ч сцепление увеличивается при любой продолжительности вибровакуумного водонасыщения.
Как уже отмечалось, сцепление зависит от характера
взаимодействия битума с минеральными материалами, от когезии битума и от соотношения битум-минеральный порошок. В нашем случае между битумом и шлаковым материалом происходит интенсивное химико-физическое взаимодействие, которое продолжается длительное время, а воздействие вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового
облучения ускоряют эти процессы. Вода под воздействием
вибровакуумного водонасыщения диффундирует через пленку битума в шлаковый песок, в нем происходит модификация
поверхности вследствие образования кристаллогидратов, которые существенно увеличивают поверхность контакта его
битумом, армируют битум и поровое пространство. Это впоследствии и приводит к увеличению сцепления.
Математическая модель вязкости ненарушенной
структуры при температуре +20 °С выглядит следующим образом:
2
213
η = (624470+ 144235 x1 – 129619 x3 + 94373 x1 x2 – 157753 x2 x3 –
2
2
2
4
– 96666 x1 + 101492 x2 + 109861 x3 )·10 , Па·с.
(9)
Анализ математической модели 9 и рис. 5.2.6 позволяют установить следующее:
Рис. 5.2.6. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на вязкость ненарушенной
структуры асфальтобетона при температуре +20 °С
при линейных членах увеличение продолжительности
вибровакуумного водонасыщения способствует повышению
вязкости; ультрафиолетовое облучение уменьшает вязкость, а
количество циклов замораживания-оттаивания влияния на
вязкость не оказывает;
при парных членах x1 x2 и x2 x3 на вязкость ненарушенной структуры оказывают влияние продолжительность вибровакуумного водонасыщения и воздействие замораживанияоттаивания, воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения;
214
положительные коэффициенты при квадратичных членах x2 и x32 свидетельствуют о наличии минимума величины
вязкости ненарушенной структуры при ультрафиолетовом
облучении и замораживании-оттаивании, причем их влияние
на вязкость однозначно; отрицательный коэффициент при x12
(воздействие вибровакуумного водонасыщения) указывает на
наличие максимума вязкости ненарушенной структуры.
Повышение вязкости ненарушенной структуры асфальтобетона с увеличением продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения играет положительную роль в повышении сдвигоустойчивости
покрытий автомобильных дорог в летний период времени.
А.М. Богуславский предложил характеризовать сдвигоустойчивость и трещиностойкость асфальтобетонных покрытий отношением кинетических характеристик Р1/ Р2.
Математическая модель отношения кинетических характеристик Р1/ Р2 при температуре +20 °С выглядит следующим образом
2
Р1/ Р2 = (4,01 – 2,31 9 x1 + 2,57 x2 + 3,3 x3 – 2,27 x1 x2 –
2
2
2
-3
– 2,54 x1 x3 + 3,66 x2 x3 + 1,94 x1 + 0,96 x2 + 0,96 x3 )·10 . (10)
Графическое изображение модели представлено на
рис. 5.2.7.
Анализ математической модели 10 и рис. 5.2.7 позволяет установить следующее:
1. На отношение кинетических характеристик Р1/ Р2
оказывают влияние все факторы.
2. Коэффициент при линейном x1 указывает на уменьшение отношения кинетических характеристик при увеличении продолжительности вибровакуумного водонасыщения;
коэффициенты при x2 и x3 указывают на возрастание отношения кинетических характеристик при увеличении количества
циклов замораживания-оттаивания и продолжительности
ультрафиолетового облучения.
3. Совместное воздействие вибровакуумного водонасыщения и замораживания-оттаивания (x1 x2) и вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения приводят к снижению отношения кинетических характеристик (x1
215
x3), а воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения (x2 x3) приводит к увеличению отношения
характеристик.
4. Положительные коэффициенты при квадратичных
членах свидетельствуют о наличии минимума отношения кинетических характеристик, причем вибровакуумное водонасыщение оказывает влияние большее, чем воздействие замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения.
Рис. 5.2.7. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на отношение кинетических
характеристик асфальтобетона при температуре +20 °С
Как видно из рис. 5.2.7, при увеличении продолжительности вибровакуумного водонасыщения и ультрафиолетового облучения влияние замораживания-оттаивания на отношение кинетических характеристик снижается. Асфальто-
216
вый бетон становится вязче, что приводит к повышению
сдвигоустойчивости покрытий.
Эксплуатационная надежность асфальтобетона обусловлена стабильностью его структуры, которая может характеризоваться изменением динамического модуля упругости. Структура считается стабильной, если динамический
модуль упругости уменьшается наполовину [153]. Для оценки стабильности структуры асфальтобетона были проведены
исследования по влиянию вибровакуумного водонасыщения,
замораживания-оттаивания и ультрафиолетового облучения
на динамический модуль упругости.
Математическая модель изменения динамического модуля упругости при температуре +20 °С (11) и ее графическая
интерпретация (рис. 5.2.8) позволяют установить следующее:
Е ДИН . = 2745,8 + 176 x1 + 439,2 х2 – 446,5 x1 x2 – 144,8 x1 x2 x3. (11)
Рис. 5.2.8. Влияние комплексного воздействия продолжительности
вибровакуумного водонасыщения, ультрафиолетового облучения и
ускоренного замораживания-оттаивания на динамический модуль упругости асфальтобетона при температуре +20 °С
217
1. Продолжительность ультрафиолетового облучения
практически не оказывает влияния на динамический модуль
упругости.
2. Увеличение продолжительности вибровакуумного
водонасыщения существенно влияет на динамический модуль упругости; характер изменения при вибровакуумном
водонасыщении после 40 ч меняется на противоположный.
3. Уменьшение динамического модуля упругости 60 ч
вибровакуумного водонасыщения незначительно. Это позволяет сделать вывод, что структура асфальтобетона из шлаковых материалов стабильная и асфальтобетонные покрытия
обладают достаточной эксплуатационной надежностью.
Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- влияние вибровакуумного водонасыщения, замораживания-оттаивания, ультрафиолетового облучения на
структурно-механические свойства неоднозначно;
- в районах с избыточным увлажнением и часто повторяющимися знакопеременными температурами высокие водо- и морозостойкость асфальтобетона являются одним из
решающих условий его эксплуатационной надежности. Асфальтовые бетоны из шлаковых материалов позволят создать
долговечные покрытия автомобильных дорог;
- предлагаемая нами система моделирования комплексного влияния эксплуатационно-климатических факторов позволит прогнозировать эксплуатационную надежность
уже на стадии выбора типа асфальтобетона для конкретных
климатических условий;
- разработанный метод требует дальнейшего совершенствования с наибольшим приближением моделирующих
факторов к условиям его работы в покрытии. Необходимо в
дальнейшем ввести в комплекс воздействий циклическое динамическое нагружение, концентрацию солей при эксплуатации в зимних условиях и т.д.
218
ГЛАВА 6. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Положительные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют в некоторой степени судить о повышенной морозостойкости и трещиностойкости покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов. Гарантировать же долговечность покрытий на основе физикохимических исследований материалов в лабораторных условиях
со 100%-ной уверенностью затруднительно, так как в настоящее
время отсутствует достаточное теоретическое обоснование связи работоспособности покрытий автомобильных дорог с процессами структурообразования асфальтобетона из шлаковых
материалов в условиях окружающей среды. Это обстоятельство
не позволяет объективно подходить к вопросу конструирования
и проектирования трещиностойких и морозостойких покрытий.
В настоящей главе на основании результатов наблюдений за опытными участками асфальтобетонных покрытий
автомобильных дорог из шлаковых материалов, построенных
во II-III дорожно-климатических зонах на разного типа основаниях (жесткое, полужесткое и нежесткое), разработана методика конструирования и расчета дорожных одежд с покрытиями из шлаковых материалов с учетом трещиностойкости,
а также приведены требования к асфальтобетону.
6.1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ, УКЛАДКИ
И УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Технология приготовления асфальтобетонных смесей из
гидравлически активных минеральных материалов аналогична
технологии приготовления смесей на основе традиционных природных минеральных компонентов, но имеет ряд особенностей.
Шлаковые материалы обладают гидравлической активностью. Под действием атмосферных факторов (в виде дождя и
снега) они подвержены гидролизу и гидратации, что приводит к
их омоноличиванию. Поэтому хранить шлаковые материалы на
асфальтобетонных заводах рекомендуется не более 6 месяцев.
219
Как было показано в главах 2 и 3, высокая химическая
активность шлаков, возникновение свободных радикалов, максимальная концентрация которых наблюдается при температуре
110-130 °С, обусловливают необходимость снижения температуры разогрева шлаковых материалов к моменту перемешивания с битумом до 110-130 °С, во избежание повышенного старения последнего. Уменьшение температуры разогрева минеральной части асфальтобетонных смесей позволит существенно
снизить энергозатраты на их приготовление.
В минеральном материале (шлаках) допускается присутствие остаточной влажности до 2-3%, что не только не
ухудшает свойства смесей, но и является положительным
фактором. В порах шлака возникают микропропарочные камеры, процессы гидролиза и гидратации шлаковых материалов ускоряются, возникают кристаллогидраты, которые армируют поры, превращая их из дефекта структуры в конструктивный элемент.
Оптимизация гранулометрического состава шлаковых
материалов в процессе технологических операций (разогрев и
перемешивание шлака при приготовлении асфальтобетонной
смеси, при уплотнении асфальтобетона) позволяет изготовлять их однокомпонентными, без применения минерального
порошка. Это существенно упрощает складское хозяйство
асфальтобетонных заводов. Вместо трех складов хранения
минеральных материалов требуется один открытого типа, не
требуется устройство крытого склада или силосных складов
для хранения минерального порошка. Это позволяет снизить
стоимость строительства асфальтобетонного завода и смежных затрат по эксплуатации машин на 5-15%, уменьшить
численность персонала АБЗ на 1-2 человека.
Малый коэффициент теплопроводности шлаковых асфальтобетонов позволяет транспортировать смеси на большие расстояния по сравнению с асфальтобетонными смесями
на природных каменных материалах. Это существенно расширит зону действия асфальтобетонных заводов.
Укладка и уплотнение асфальтобетона из шлаковых материалов тоже имеет свои особенности. Асфальтобетоны из
шлаковых материалов отличаются хорошей удобоукладываемо220
стью и сохраняют ее даже охлажденными до 50-70 °С. Укладывают асфальтобетонные смеси серийно выпускаемыми асфальтоукладчиками при температуре не ниже 70 °С. Коэффициент
уплотнения асфальтобетонных смесей составляет 1,6-1,7.
При уплотнении асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов следует строго соблюдать температурный
режим начала и окончания уплотнения. Асфальтобетонные
смеси с температурой выше 60 °С подвижны и при уплотнении даже легким катком выдавливаются из-под его вальцов.
Смеси, охлажденные ниже 40 °С, требуют затрат работы катков в 2 раза больше, чем смеси, имеющие температуру в момент уплотнения 40-60 °С.
Выбор способа уплотнения является важным фактором
в процессах формирования структуры асфальтобетона. В лабораторных исследованиях установлено, что виброуплотнение асфальтобетона положительно сказывается на структурно-механических свойствах асфальтобетона: повышается
прочность при сжатии, уменьшается водонасыщение, повышается морозостойкость.
При уплотнении катками статического действия шлаковые асфальтобетонные смеси уплотняют легкими, средними и тяжелыми катками. Общее количество проходов по одному следу должно составлять 25-30.
При уплотнении катками вибрационного действия
сначала уплотняют легкими катками с выключенной вибросистемой по 4-7 проходов по одному следу. При охлаждении
асфальтобетона до температуры 50 °С включаются в действие средний и тяжелый катки с выключенной вибросистемой
по 5-8 проходов по одному следу, а затем легкий средний и
тяжелый катки с включенной вибросистемой по 4-5 проходов
по одному следу.
По окончании уплотнения плотность асфальтобетонного покрытия соответствует плотности образца, уплотненного в лабораторных условиях давлением 12-15 МПа. Доуплотнение покрытий будет происходить в процессе эксплуатации и будет зависеть от интенсивности движения, грузоподъемности машин и срока эксплуатации.
221
6.2. КИНЕТИКА ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОКРЫТИЙ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Опытные участки асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов (гранулированного доменного шлака, шлакового и шлакопемзовых песков)
устраивали на дорогах III-V технических категорий во II-III
дорожно-климатических зонах.
В 1968 году при непосредственном участии автора был
заложен опытный участок покрытия автомобильной дороги
из асфальтобетона состава: гранулированный доменный шлак
Череповецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 60/90 – 9%. Опытный участок устраивали силами
и средствами Вологодского дорожно-строительного управления № 1 на автомобильной дороге Вологда-Ярославль. В том
же году в г. Липецк заложен опытный участок покрытия автомобильной дороги в районе комбината «Свободный Сокол» из асфальтобетонной смеси состава: гранулированный
доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%.
В практике дорожного строительства как в нашей
стране, так и за рубежом для приготовления асфальтобетонных смесей шлакопемзовый песок не применяли. В 1970 году
по рекомендациям Отраслевой научной дорожно-исследовательской лаборатории Воронежского инженерно-строительного института (ВГАСУ) при непосредственном участии
автора был заложен первый опытный участок покрытия автомобильной дороги из асфальтобетонной смеси состава:
шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического
комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%. Опытный
участок устраивали силами и средствами липецкого завода
железобетонных изделий треста «Железобетон» на автомобильной дороге «Стан-2000». В том же году из асфальтобетонной смеси того же состава был заложен второй опытный
участок на основании из тощего и обычного цементобетона
от улицы Зои Космодемьянской до виадука «Западный».
222
Первый опытный участок покрытия из асфальтобетонной смеси состава: шлаковый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 –
9% построен в 1972 году силами и средствами дорожностроительного управления № 1 «Липецкавтодора» на автомобильной дороге «Липецк-Данков» при обходе с. Куймань.
За построенными опытными участками покрытий автомобильных дорог проводили наблюдения в течение 413 лет. По результатам лабораторных и производственных
исследований с участием автора были разработаны «Технические условия. Смеси битумошлакопемзовые, горячие, дорожные. ТУ № 67–13–02–74» [135], «Технические условия. Смеси
асфальтобетонные дорожные с применением гранулированных доменных шлаков. ТУ № 478–3–77» [136].
Конструкции дорожных одежд автомобильных дорог,
на которых устраивали асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов, приведены на рис. 6.2.1. Интенсивность
движения и его характер на опытных участках покрытий
приведены в таблице 6.2.1.
Таблица 6.2.1. Характеристика интенсивности движения на
опытных участках
Номер
Интенсивность
опытного
движения,
участка
авт./сут.
1
до 300
2
до 12000
3
до 1000
4
до 2000
5
свыше 3000
6
7
8
9
300-500
до 1000
до 1000
50-100
Характер автомобильного движения
70% в составе движения – легковые автомобили и автобусы
80% в составе движения – большегрузные автомобили
движение только большегрузных автомобилей
до 70% в составе автомобилей – большегрузные и троллейбусы
автобусное, легковое, троллейбусное
движение и движение большегрузных автомобилей
распределение движения не фиксировали
распределение движения не фиксировали
распределение движения не фиксировали
автомобили средней грузоподъемности
223
Участок № 1
Липецк – кольцо на заводе “Свободный Сокол”
4 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного доменного шлака
5 см – крупнозернистый асфальтобетон
30 см – отвальный доменный шлак
– супесь легкая
Участок № 3
Липецк – автомобильная дорога
у “Стана-2000”
4,5 см – асфальтобетонная смесь на основе
шлакопемзового песка
5 см – cреднезернистый асфальтобетон
20 см – цементобетон
10 см – среднезернистый песок
– cуглинок легкий
Участок № 4
Гг. Липецк – подходы к новому мосту
через р. Воронеж
6 – асфальтобетонная смесь
на шлакопемзовом песке
20 см – цементобетон
10 см – песок среднезернистый
– cуглинок
224
Участок № 5
Автомобильная дорога
“Липецк- Воронеж”
7,5 см – асфальтобетонная смесь
на шлакопемзовом песке
35 см – отвальный доменный шлак
10 см – песок среднезернистый
– c углинок
Участок № 6
Автомобильная дорога
“Вологда -Ярославль”
5 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного шлака
30 см – известняковый щебень
30 см – песчано-гравийная смесь
– cуглинок тяжелый пылеватый
Участок № 7
Автомобильная дорога
“Липецк- Данков”
6 см – асфальтобетонная смесь
на основе шлакового песка
5 см – крупнозернистый асфальтобетон
35 см – отвальный доменный шлак
– суглинок
Участок № 8
Автомобильная дорога
“Елец-Долгоруково”
6 см – асфальтобетонная смесь на основе
гранулированного шлака
30 см – щебень Аргамачского карьера ,
укрепленный гранулированым шлаком
– суглинок
225
Рис. 6.2.1. Конструкции дорожных одежд на опытных участках дорог
Обследование опытных участков покрытий автомобильных дорог включало в себя:
- отбор проб вырубок для исследования структурообразования асфальтобетона из шлаковых материалов в результате эксплуатации и для изучения строения порового пространства;
- исследование кинетики формирования покрытий в
результате эксплуатации;
- исследование кинетики трещинообразования и влияния вида основания на процессы трещинообразования с замером расстояний между трещинами;
- определение модуля упругости и коэффициента сцепления колеса автомобиля с покрытием.
Наблюдения за опытными участками покрытий автомобильных дорог показали, что все они находятся в хорошем состоянии. В таблице 6.2.2 приведены результаты
испытаний вырубок из покрытий автомобильных дорог через разное время эксплуатации. Анализ результатов позволяет установить некоторые общие закономерности изменения структурно-механических свойств асфальтобетона из
шлаковых материалов при эксплуатации покрытий автомобильных дорог. Определяющее значение на формирование покрытий оказывает интенсивность и состав движения.
Опыт устройства асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов свидетельствует о
том, что формирование их продолжается длительное время
с момента строительства
226
227
228
229
230
231
Через две недели после укладки асфальтобетонных
смесей из шлаковых материалов в покрытия автомобильных
дорог и открытия на них движения средняя плотность асфальтобетона соответствует средней плотности образца, уплотненного в лабораторных условиях на гидравлическом прессе
давлением 10-12 МПа. Под воздействием колес автомобильного
транспорта происходит доуплотнение асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов (рис. 6.2.2).
Рис. 6.2.2. Липецк. Автомобильная дорога «Улица Зои
Космодемьянской – виадук Западный». Асфальтобетонное
покрытие на основе шлакопемзового песка
При интенсивности движения свыше 10 000 авт./сут с
составом движения тяжелых автомобилей формирование покрытия заканчивается практически через 1-1,5 года с момента
его устройства (табл. 6.2.2, участок № 2). Средняя плотность
асфальтобетона после окончания процесса формирования покрытия соответствует уплотняющей нагрузке в лабораторных
условиях на гидравлическом прессе 27,5-30 МПа.
Покрытие из асфальтобетонной смеси того же состава, но
с интенсивностью движения 1000 авт./сут заканчивает формирование на 2-3-й год эксплуатации (табл. 6.2.2, участок № 3).
232
На опытных участках покрытия из асфальтобетонных
смесей состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130 – 9%
(табл. 6.2.2, участки № 4 и 5) формирование покрытий заканчивается на 2-4-й год эксплуатации (рис. 6.2.3). Следовательно,
можно сделать вывод, что формирование покрытий автомобильных дорог из асфальтобетона на шлаковых материалах с
более вязким битумом заканчивается быстрее, чем на битумах
пониженной вязкости (участок № 3, табл. 6.2.2 даже при меньшей интенсивности движения, чем на участках № 4 и 5).
Рис. 6.2.3. Липецк. Подходы к новому мосту через
р. Воронеж. Асфальтобетонное покрытие
на основе шлакопемзового песка
Покрытия автомобильных дорог из асфальтобетонных
смесей на основе гранулированных доменных шлаков (табл.
5.2.2, участки 1, 6, 8, 9) формируются от 2 до 5 лет, в зависимости от интенсивности движения. На участке № 9 через 4 года
эксплуатации формирование покрытия еще продолжается.
233
Рис. 6.2.4. Липецк. Подходы к новому мосту через
р. Воронеж. Асфальтобетонное покрытие
на основе шлакопемзового песка
На основании результатов обследования покрытий автомобильных дорог установлено, что максимальная уплотняющая нагрузка в процессе доуплотнения асфальтобетонных
покрытий из шлаковых материалов не превышает 30 МПа. Интересен тот факт, что при достижении определенной плотности
соответствующей уплотняющей нагрузке примерно 30 МПа,
дальнейшего увеличения средней плотности не происходит,
независимо от интенсивности и состава движения. В то же
время у вырубок из покрытия значительно уменьшается водонасыщение. По нашему мнению (см. главы 2 и 3), в результате
воздействия знакопеременных температур, а также воздействия воды в летний период времени, происходит гидратация
шлаковых материалов и в связи с этим перераспределение открытой и замкнутой пористости. Вызывает интерес также тот
факт, что при достижении максимально возможной средней
плотности (около 30 МПа) прочность переформованных образцов в процессе эксплуатации меняется незначительно. Это
свидетельствует об отсутствии процессов старения битума в
асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе эксплуа234
тации и об окончании диффузии битума и его компонентов в
поры шлаковых материалов.
Старение битума в асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе эксплуатации исследовали методом инфракрасной спектроскопии. На рис. 6.2.4 приводятся инфракрасные спектры поглощения асфальтобетона из шлаковых
материалов после разного срока эксплуатации покрытий.
Рис. 6.2.4. Инфракрасные спектры поглощения асфальтобетона
из шлаковых материалов после различного срока эксплуатации:
1 – после 3-х месяцев эксплуатации с момента укладки;
2 – после 1,5 лет эксплуатации; 3 – после 3 лет эксплуатации
Как видно из приведенных инфракрасных спектров, при частоте колебаний 1601 см-1 наблюдается широкая
полоса поглощения, характеризующая наличие ароматических соединений – мальтеновой части битума. В процессе
эксплуатации покрытия интенсивность полосы поглощения
практически не меняется.
Процессы структурообразования в асфальтобетоне из
шлаковых материалов продолжаются, о чем свидетельствуют
полосы поглощения в области частот 3750-3000 см-1 и 7001100 см-1.
235
Итак, исследования при помощи инфракрасной спектроскопии свидетельствуют об отсутствии старения битума в
асфальтобетоне из шлаковых материалов в процессе их эксплуатации под воздействием автомобильного транспорта и
окружающей среды.
Воздействие автомобильного транспорта в условиях
повышенных эксплуатационных температур [23] приводит к
самоуплотнению битума – вызывает его синерезис, на поверхности асфальтобетонных покрытий из традиционно применяемых природных каменных материалов выступают масла, которые разносятся колесами автомобилей и вследствие
этого происходит ускоренное старение битума.
На асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов такое явление не наблюдается, что связано с характером пористой структуры асфальтобетона и особенностями
строения битумной пленки.
При помощи метода растровой (сканирующей) электронной микроскопии установлено, что пленка битума на поверхности шлаковых материалов имеет сложное слоистое
строение. На возможность образования в структурированной
зоне нескольких слоев указывают И.А. Рыбьев [111], И.В.
Королев [84].
О.И. Словуцкий [127] установил, что в тонких пленках
битума между двумя минеральными поверхностями образуется слой, обогащенный маслами. Учитывая исследования
Б.В. Дерягина [34], а также приведенные в работе [10] данные, в структуре битумной пленки следует ожидать «подплавленного слоя» повышенной подвижности по сравнению
с объемным битумом и битумом, адсорбированным на поверхности шлаковых материалов. Повышенной подвижностью обладает мальтеновая часть битума – масла, – поэтому
очевидно, что «подплавленный слой» будет в основном состоять из масел. Существование такого слоя в замкнутом
пространстве, изолированном от доступа воздуха, позволяет
объяснить высокую стабильность асфальтобетона из шлаковых материалов к старению битума.
Микроскопические исследования образцов, взятых из
асфальтобетонного покрытия после 3-х лет эксплуатации, на
растровом (сканирующем) электронном микроскопе (рис.
236
6.2.5, а) показали, что строение битумной пленки на поверхности шлаковых материалов аналогично строению образцов,
изготовленных и испытанных в лабораторных условиях.
Происходит интенсивная модификация поверхности шлаковых зерен с образованием кристаллогидратов (рис. 6.2.5, б).
а
б
3 мкм
3 мкм
Рис. 6.2.5. Строение битумной пленки (а) и модификация поверхности
шлакового материала (б) после 3-летней эксплуатации покрытия
Уменьшение водонасыщения вырубок из асфальтобетонных покрытий на шлаковых материалах после доуплотнения объясняется перераспределением пористости на
открытую и закрытую, внутризерновую и межзерновую.
Исследования методом ртутной порометрии асфальтобетона
из покрытий показывают (рис. 6.2.6), что объем пор крупного
размера после 3-летнего периода эксплуатации снижается, а
объем пор меньшего размера – увеличивается. Это явление
связано как с доуплотнением асфальтобетона из шлаковых
материалов, так и с процессами гидролиза и гидратации минерального материала в условиях повышенных летних температур и воздействия влаги. Ускоренному образованию
структур коагуляционно-конденсационного типа, упрочненных узлами кристаллизационных сростков, способствуют
также и динамические нагрузки.
237
Рис. 6.2.6. Дифференциальные кривые распределения
объема пор в асфальтобетоне из
шлаковых материалов по размерам в процессе
эксплуатации покрытия:
1 – после 3-х месяцев эксплуатации;
2 – после 3-х лет
эксплуатации
Формирование асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов продолжается от 1 до 5 лет с момента устройства. Несомненный интерес представляет распределение
средней плотности по толщине покрытия. При обследовании
опытного участка № 2 (асфальтобетонная смесь состава:
шлакопемзовый песок – 100%, битум марки БНД 60/90 – 9%)
после 3 лет эксплуатации было проведено изучение распределения средней плотности по толщине покрытия. Средние
плотности по толщине от дневной поверхности 0,5; 1,5; 2,5;
3,5 и 4,5 см соответственно равны 2,09; 1,98; 1,94; 1,88;
1,86 г/см 3 , что соответствует уплотняющей нагрузке 37,5; 25;
19,5; 17,5 и 15 МПа при уплотнении на гидравлическом прессе. Следовательно, в период эксплуатации происходит формирование верхней корки асфальтобетонных покрытий из
шлаковых материалов толщиной до 1 см, а в толще материала степень уплотнения значительно ниже. Это играет, по нашему мнению, положительную роль. Тонкая гибкая пластинка асфальтобетона опирается на пористое основание, которое
238
является упругим компенсатором усилий, в ней происходит
затухание напряжений от подвижного транспорта.
Обследование опытных участков покрытий автомобильных дорог из шлаковых материалов на различного типа
основаниях (жесткое, полужесткое и нежесткое) и различного
вида подстилающих грунтах земляного полотна показало полную сходимость теоретических и экспериментальных данных.
Как уже отмечалось в главе 4 (см. табл. 4.3.1, 4.3.2), трещины
должны образовываться в первую очередь на асфальтобетонных покрытиях, уложенных на основания из щебня горных пород, необработанных вяжущим материалом, и на основаниях
жесткого типа. На основаниях из тощего цементобетона, грунта, укрепленного тонкомолотым гранулированным доменным
шлаком, асфальтобетонные покрытия из шлаковых материалов
должны быть менее подвержены трещинообразованию. Самым
надежным типом основания для асфальтобетонных покрытий
с точки зрения трещиностойкости должны являться основания
из щебеночных материалов, укрепленных гранулированным
доменным шлаком. На покрытиях, уложенных на такого типа
основания, трещины должны наблюдаться в более поздние
сроки эксплуатации.
В таблице 6.2.3 приводятся данные о возникновении
трещин на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов на различного вида основаниях и грунтах земляного
полотна. Анализ данных этой таблицы позволяет установить
влияние типа основания на процессы трещинообразования
асфальтобетонных покрытий.
Наименьшее количество трещин или их отсутствие наблюдается на асфальтобетонных покрытиях, уложенных на
основания из: малопрочных известняков, укрепленных гранулированным доменным шлаком; тощего цементобетона и
отвального доменного шлака. Трещины на покрытиях расположены на расстоянии от 20 до 80 м одна от другой.
Иная ситуация наблюдается на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых материалов, уложенных на основания
из неукрепленного щебня и цементобетона. Трещины возникают на 1-2 год эксплуатации, и расстояния между ними равно 18-40 м.
239
240
241
242
Интерес, безусловно, представляет также кинетика
развития трещин по годам. В таблице 6.2.4 приводятся данные о развитии трещинообразования асфальтобетонных покрытий состава: шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум марки БНД 90/130
– 9%, уложенных на основания из отвального доменного
шлака и цементобетона. Интенсивность трещинообразования
покрытий на цементобетонном основании значительно выше,
чем на основаниях из отвального доменного шлака.
Таблица 6.2.4. Характер трещинообразования
асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов
Наименование асфальтобетона и вида
основания
Шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%. Цементобетонное
основание
Шлакопемзовый песок Новолипецкого металлургического комбината – 100%, битум
марки БНД 90/130 – 9%. Основание из отвального доменного шлака
Количество лет
эксплуатации
1
2
3
4
Расстояние между
трещинами, м
-
20
18
15
-
-
-
45
Приведенные результаты обследования (см. табл. 6.2.3
и 6.2.4) позволяют установить, что трещиностойкость асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов значительно выше, чем у покрытий, устроенных из традиционно
применяемых асфальтобетонных материалов, что полностью
согласуется с результатами, приведенными в главе 4.
Наилучшим типом оснований дорожных одежд с покрытиями из шлаковых материалов следует считать основания из
щебеночных материалов, укрепленных гранулированным доменным шлаком, тощего цементобетона и отвального доменного шлака. Таким образом, уже на стадии конструирования и
проектирования дорожных одежд можно управлять долговечностью покрытий, применяя тот или иной тип основания.
243
Обследование опытного участка № 3 (покрытие из асфальтобетона на основе шлакопемзового песка, уложенного на
основание из цементобетона, и эталонное покрытие из среднезернистого асфальтобетона) при температуре –18 °С (зима 19731974 гг.) позволило установить ширину раскрытия трещин. На
асфальтобетонном покрытии из шлакопемзового песка ширина
раскрытия трещин колеблется от 0 до 0,7 мм, в то время как на
покрытии из среднезернистого асфальтобетона (смежный участок с опытным) ширина раскрытия трещин составляла 1,5-2 мм
при меньшем расстоянии между ними. Это является следствием
меньшего коэффициента линейного температурного асфальтобетона из шлакопемзового песка и большей пластичности их
при отрицательных температурах по сравнению с традиционно
применяемыми асфальтобетонами.
При обследовании опытного участка № 4 в мае и октябре 1974 г. установлено, что в результате высокой тиксотропии асфальтобетона из шлаковых материалов произошло
самозалечивание возникших трещин под действием движущегося транспорта и высоких летних эксплуатационных температур. Среднее расстояние между трещинами в октябре
возросло до 45-50 м по сравнению с 25 м в мае.
В результате обследования опытных участков установлено, что на асфальтобетонных покрытиях из шлаковых
материалов, устроенных на цементобетонном основании, основное количество трещин возникает на 3-й год эксплуатации покрытия.
Важным критерием транспортно-эксплуатационных качеств дорожных покрытий является коэффициент сцепления
колеса автомобиля с покрытием. При обследовании опытных
участков параллельно проводили определение коэффициента
сцепления. Результаты исследований приведены в таблице 6.2.5.
Анализ результатов позволяет установить:
- чем выше интенсивность движения, тем выше коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием;
- увеличение коэффициента сцепления прекращается с
окончанием процесса формирования покрытия;
- с понижением марочной вязкости битума коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием уменьшается.
244
245
В мае 1974 года на опытных участках провели определение модулей упругости при температуре окружающего
воздуха от 15 °С до 20 °С.
Модули упругости асфальтобетонных покрытий из
шлакопемзовых песков находились в пределах 12401560 МПа (большее значение относится к участкам с высокой
интенсивностью движения).
Модуль упругости асфальтобетонных покрытий из
шлаковых песков (участок № 7) составил 1370 МПа.
Модули упругости асфальтобетонных покрытий из
гранулированных доменных шлаков находились в пределах
1120-1750 МПа (большее значение относится к участкам с
высокой интенсивностью движения).
Таким образом, в результате обследования асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов установлено их хорошее технико-эксплуатационное состояние, высокая трещиностойкость и хорошее сцепление колес автомобиля с покрытием, обеспечивающим безопасность движения. Выявлены оптимальные виды оснований дорожных одежд при устройстве
асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов и установлены расчетные модули упругости асфальтобетона.
Проведенные исследования структурно-механических
свойств асфальтобетона из шлаковых материалов в лабораторных и производственных условиях позволили разработать
требования к асфальтобетонам из шлаковых материалов
(табл. 6.2.6).
6.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ
И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ИЗ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
В связи с ростом грузонапряженности предъявляются
повышенные требования к прочности дорожных одежд. Допустимые деформации, устанавливаемые по условиям сохранения
монолитности, стали меньше, чем допускавшиеся ранее для покрытий облегченного типа. В результате изменившихся условий
работы дорог тенденция повышения прочности дорожных
одежд стала проявляться все отчетливее, но она сдерживается
246
нехваткой кондиционных материалов. Увеличение грузонапряженности автомобильных дорог вызывает необходимость использования таких материалов конструктивных слоев, которые
в процессе эксплуатации во времени набирают прочность, т.е.
происходит установление соответствия прочности дорожной
одежды росту грузонапряженности движения.
Таблица 6.2.6. Требования к асфальтобетону
из шлаковых материалов
Наименование показателей
Асфальтовые бетоны из:
гранулирошлакошлакового
ванных
пемзового
доменных
песка
песка
шлаков
1. Остаточная пористость, % по
8-20
15-20
10-18
объему
2. Водонасыщение, % по объему
6-13
10-13
7-10
3. Набухание, % по объему, не
1,0
1,0
1,0
более
4. Предел прочности при сжатии,
МПа, при температуре:
+20 °С, не менее
2,0
2,0
2,0
+50 °С, не менее
1,0
1,0
1,0
0 °С, не более
12,0
12,0
12,0
5. Коэффициент водоустойчиво0,85
0,85
0,85
сти, не менее
6. Коэффициент длительной во0,75
0,75
0,75
доустойчивости, не менее
7. Коэффициент морозостойко0,65
0,65
0,65
сти, не менее
8. Модуль упругости, МПа
1100-1500 1200-1400 1200-1400
9. Предел прочности на растяже12
12
12
ние при изгибе при температуре
10 °С, МПа, не менее
10. Предельное относительное
удлинение при температуре, не
менее:
18·10-3
18·10-3
18·10-3
0 °С
7·10-3
7·10-3
7·10-3
-20 °С
11. Вязкость ненарушенной
структуры при температуре ми1,4
1,61
1,72
нус 20 °С, не более ТПа·с
Для стабильной работы дорожных одежд в условиях действия подвижной нагрузки и температурно-влажностного режи247
ма необходимо, чтобы прочность дорожной одежды соответствовала грузонапряженности, а материал, применяемый для устройства конструктивных слоев, был устойчивым к воздействию
атмосферных и транспортных факторов. Прогресс в дорожном
строительстве в настоящее время направлен на поиски методов
повышения прочности с одновременным обеспечением морозоустойчивости и уменьшением толщины дорожных одежд. С этой
целью, прежде всего, необходимо установить свойства, которыми должны обладать основания дорожных одежд.
Материал оснований дорожных одежд должен обладать
коэффициентом линейного температурного расширения, сопоставимым с коэффициентами линейного температурного расширения слоев покрытия и других слоев основания. На основе теоретического и экспериментального изучения реологических
свойств асфальтобетона из шлаковых материалов и при обследовании опытных участков покрытий автомобильных дорог установлено, что с точки зрения трещиноустойчивости наилучшими типами оснований являются малопрочные известняки,
укрепленные гранулированным доменным шлаком; грунты, укрепленные тонкомолотым гранулированным шлаком; тощий
цементобетон; отвальный (литой) шлаковый щебень и конвертерные шлаки. Коэффициенты линейного температурного расширения таких оснований сопоставимы с коэффициентами линейного температурного расширения асфальтобетона из шлаковых материалов и вследствие этого не возникают дополнительные напряжения от разности коэффициентов покрытия и основания. На такого типа основаниях трещины или отсутствуют
или встречаются значительно реже, чем на основаниях из неукрепленного щебня и цементобетона [53]. Материал оснований
должен удовлетворять требованиям по физико-механическим
свойствам и быть морозоустойчивым.
Тепловой режим грунтов, нарушаемый более теплопроводной дорожной одеждой, приводит к увеличению зимнего
влагонакопления под проезжей частью и неравномерному пучению покрытий при промерзании земляного полотна и осадке
при оттаивании. В районах избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания (II дорожно-климатическая зона, юж248
ные районы I и северные районы III зон) общая толщина дорожной одежды определяется расчетом на морозоустойчивость.
С этой целью применяют различные специальные мероприятия:
- осушение рабочего слоя земляного полотна, в том
числе устройство дренажа для увеличения расстояния от низа
дорожной одежды до уровня подземных вод; устройство гидроизолирующих и капиллярно-прерывающих прослоек;
- устройство морозозащитных слоев из непучинистых
минеральных материалов, в том числе укрепленных малыми
дозами минеральных или органических вяжущих;
- устройство теплоизолирующих слоев, снижающих
глубину или полностью исключающих промерзание грунта
под дорожной одеждой;
- устройство основания дорожной одежды из монолитных
материалов типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим.
Асфальтобетоны из шлаковых материалов обладают значительно меньшим коэффициентом теплопроводности по сравнению с асфальтобетонами на природных каменных материалах. Меньший коэффициент теплопроводности асфальтобетона
из шлаковых материалов позволяет проектировать дорожные
одежды с уменьшенной толщиной морозозащитного слоя.
Нами были разработаны номограммы для определения
уменьшения толщины морозозащитных слоев при толщине
асфальтобетонного покрытия из шлаковых материалов 9 см
(рис. 6.3.1 и 6.3.2) [55, 56].
Последовательность конструирования и расчета дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями из шлаковых материалов на температурную трещиностойкость предлагается следующая:
1. Конструируют слои дорожной одежды, исходя из
наличия местных каменных материалов и отходов промышленности; при этом следует стремиться, чтобы коэффициенты линейного температурного расширения материалов основания и асфальтобетона были близки по величине.
2. Опытным путем или на основе имеющихся в литературе показателей собирают необходимые данные для расчета.
249
3. Проверяют соблюдение неравенства
1,1·к·N· ηн < ηкр,
где
N – срок службы покрытия до капитального ремонта;
к – коэффициент изменения вязкости ненарушенной
структуры;
ηн – начальная вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона;
ηкр – критическая вязкость ненарушенной структуры асфальтобетона.
4. При соблюдении неравенства рассчитывают конструкцию согласно ОДН 218.046-01; при несоблюдении неравенства
выбирают другие материалы для слоев дорожной одежды.
5. Проверяют морозоустойчивость дорожной одежды с
учетом разработанных номограмм.
Рис. 6.3.1. Номограмма для определения уменьшения толщины морозозащитных слоев при покрытии толщиной 9 см из асфальтобетонной
смеси на основе гранулированного доменного шлака Челябинского
металлургического комбината.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
250
Средняя плотность асфальтобетонной смеси, г/см3
Рис. 6.3.2. Номограмма для определения уменьшения толщины морозозащитных слоев при покрытии толщиной 9 см из асфальтобетонной
смеси на основе гранулированного доменного шлака Череповецкого
металлургического комбината.
Цифры на кривых – содержание битума в смеси, %
6.4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЯХ
В отличие от природных минеральных материалов,
применяемых в асфальтобетонных смесях, шлаковые заполнители имеют ряд особенностей, к основным из которых относятся: высокая химическая и гидравлическая активность,
повышенная шероховатость поверхности зерен, шлаковый
материал мало подвержен шлифуемости, чувствительности к
влаге, вибрации, температуре, вследствие чего шлаковые материалы в местах контакта зерен в асфальтобетонной смеси
251
срастаются, превращая структуру шлакового асфальтобетона
из коагуляционной в коагуляционно-конденсационную, упрочненную кристаллизационными сростками.
Шлаковые материалы являются побочным продуктом заводов черной металлургии, производятся заводским путем и поэтому их прейскурантная цена значительно ниже, чем природных каменных материалов, добываемых в карьерах, а свойства
шлаков можно регулировать в широком диапазоне как по прочности, так и по гидравлическим вяжущим свойствам.
Благодаря химической активности и гидравлическим
вяжущим свойствам, шлаки хорошо взаимодействуют с водой и битумом. Это свойство шлаков допускает сохранение в
их порах остаточной влажности в пределах 2-5% к моменту
объединения их с битумом и укладывать шлаковые асфальтобетонные смеси на влажное основание и в сырую погоду, а
также уплотнить и продлить строительный сезон по устройству покрытий автомобильных дорог.
Высокий коэффициент сцепления колеса автомобиля со
шлаковым покрытием (0,54-0,68) и его стабильность в процессе
эксплуатации избавляют дорожные организации от устройства
и периодических восстановлений слоев шероховатости.
Шлаковые асфальтобетонные смеси приготавливают при
температуре 110-130 °С, что на 20-40 °С ниже, чем асфальтобетонные смеси из природных минеральных компонентов, а уплотняются при охлаждении до 50-60 градусов. Это позволяет
увеличить расстояния перевозки шлаковой асфальтобетонной
смеси с одной дислокации асфальтобетонного завода и снизить
расход энергии на приготовление по сравнению со смесями из
традиционных минеральных материалов.
В шлаковых асфальтобетонных смесях применяется минеральная составляющая одного происхождения, а в традиционных асфальтобетонных смесях – разного. Поэтому, в
первом случае температура разогрева шлакового материала к
моменту его объединения с битумом легко оптимизируется, а
во втором – этого достичь невозможно.
Оптимизация гранулометрического состава шлаковых
материалов в процессе технологических операций (разогрев и
перемешивание шлака при приготовлении асфальтобетонной
252
смеси, при уплотнении асфальтобетона) позволяет изготовлять
их однокомпонентными, без применения минерального порошка. Это существенно упрощает складское хозяйство асфальтобетонных заводов. Вместо трех складов хранения минеральных материалов требуется один, открытого типа, не требуется устройство крытого склада или силосных складов для
хранения минерального порошка. Это позволяет снизить стоимость строительства асфальтобетонного завода и смежных затрат по эксплуатации машин на 5-15%, уменьшить численность персонала АБЗ на 1-2 человека.
Шлаковое асфальтобетонное покрытие имеет меньший
коэффициент теплопроводности, чем асфальтобетонное из
природных минеральных компонентов. Это дает возможность в случае устройства шлакового асфальтобетонного покрытия уменьшить толщину или совсем не устраивать морозозащитные слои в основании дорожных одежд.
С учетом указанных особенностей экономическая эффективность от применения шлаковых материалов в асфальтовом бетоне будет складываться от [63, 66, 67, 70]:
- снижения строительной стоимости (Э сс);
увеличения межремонтных сроков средних и капитальных ремонтов (Э м.р.с.);
- повышения производительности асфальтобетонных заводов за счет сокращения времени перемешивания компонентов
смеси, уплотнения и продления строительного сезона (Э пп);
- снижения стоимости дорожной одежды за счет
уменьшения толщины морозозащитных слоев (Э м.з.с.);
- снижения издержек от уменьшения дорожнотранспортных происшествий, вследствие высокого и стабильного коэффициента сцепления колес с покрытием (Э д.т.п.).
Таким образом, общую экономическую эффективность
от применения шлаков в асфальтовом бетоне можно определить по формуле
Э общ. = Э сс + Э м.р.с. + Э п.п + Э м.з.с. + Э д.т.п.
Экономический эффект только в сфере строительства
на 1 км дороги III технической категории с асфальтобетонным покрытием из шлаковых материалов толщиной 9 см составляет до 11300 руб. (в ценах 1991 г.).
253
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проблеме повышения эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий в настоящее время уделяется приоритетное внимание во всех развитых странах. Особенно
остро эта проблема ощущается в современных экономических условиях России.
Наличие большого количества населенных пунктов, не
имеющих подъездных путей с твердым покрытием, требует
дальнейшего развития сети автомобильных дорог.
Удешевление строительства автомобильных дорог возможно за счет использования местных материалов, отходов и
побочных продуктов промышленности. Однако вместе с этим
необходимо иметь в виду, чтобы покрытия автомобильных
дорог обладали достаточной долговечностью (надежностью).
Только в таком аспекте применение местных материалов и
отходов промышленности даст высокий экономический эффект, особенно в период интенсивного строительства автомобильных дорог.
Гранулированные доменные шлаки, шлакопемзовые и
шлаковые пески обладают рядом специфических свойств, позволяющих целенаправленно создавать оптимальные структуры асфальтобетона, обладающих повышенной морозостойкостью и трещиностойкостью.
Преимуществом асфальтобетонных покрытий из шлаковых материалов является их повышенная долговечность,
меньшая строительная стоимость. Наряду с этим расширяется номенклатура дорожно-строительных материалов и снижается загрязнение окружающей среды за счет использования побочных продуктов черной металлургии.
Разработанный метод комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов с основами моделирования позволит более достоверно разрабатывать долговечные составы асфальтобетонных смесей.
Автор монографии готов к сотрудничеству со всеми
заинтересованными лицами по данной проблеме и будет благодарен за все замечания и предложения.
254
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адгезия (клеи, цементы, припои) / Под ред. Н. Дебройна; пер. с англ. – М.: Изд-во ин. литературы, 1954.
2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске
оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976.
3. Барановский А.С. Методика исследования морозостойкости асфальтобетона для дорожных покрытий в условиях Сибири / А.С. Барановский, Н.В. Матлаков // Труды СоюзДорНИИ. – 1975. – Вып. 79.
4. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол / Г.М. Бартенев. – М., 1966.
5. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных
молекул / Пер. с англ. – М.: Мир, 1971.
6. Бельковский С.В. Закономерности и расчетная оценка воздействий окружающей среды на монолитные покрытия
автомобильных дорог при отрицательных температурах /
С.В. Бельковский // Новые исследования в области автомобильных дорог. – Л., 1963. – Вып. 45. – С. 5-55.
7. Беркман А.С. Структура и морозостойкость стеновых
материалов / А.С. Беркман, И.Г. Мельникова. – Л.-М., 1962.
8. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин, Б.Е. Басин. – М.: Химия, 1969.
9. Богуславский А.М. Основы реологии асфальтобетона
/ А.М. Богуславский, Л.А. Богуславский. – М.: Высшая школа, 1972. – С. 41-64.
10. Бондаренко Н.Ф. Соотношение между сдвиговой
прочностью жидкостей в объеме и граничных слоях /
Н.Ф. Бондаренко, С.В. Нерпин // Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах. – М.: Наука, 1972. –
С. 281-289.
11. Борщ И.М. Минеральные порошки для асфальтовых
материалов / И.М. Борщ, Л.С. Терлецкая // Труды ХАДИ. –
1961. – Вып. 26.
12. Васильев Л.П. Теплофизические свойства пористых
материалов / Л.П. Васильев, С.А. Танаева. – Минск, Наука и
техника, 1971.
255
13. Вейденбаум Г.И. Температурные деформации
влажных строительных материалов / Г.И. Вейденбаум. –
Юбилейный сборник трудов НИИСФ, 1967. – С. 200-222.
14. Власов О.Е. Физические основы теории морозостойкости / О.Е. Власов. – Юбилейный сборник трудов НИИСФ, 1967. – С. 163-176.
15. Водородная связь // Сб. под ред. Н.Д. Соколова. –
М.: Наука, 1964.
16. Волженский А.В. Бетоны и изделия из шлаковых и
зольных материалов / А.В. Волженский, Ю.С. Буров,
Б.Н. Виноградов, К.В. Гладких. – М.: Стройиздат, 1969.
17. Волков М.И. Доменные шлаки в дорожном строительстве / М.И. Волков, И.В. Королев, И.Т. Зинов. – Донецк.
кн. изд-во, 1962.
18. Волков М.И. Доменные шлаки в строительстве дорог / М.И. Волков, И.В. Королев // Автомобильные дороги. –
1958. – № 7. – С. 16-17.
19. Волков М.И. Некоторые вопросы теории асфальтобетона / М.И. Волков //Труды МАДИ. – 1958. – Вып. 23. –
С. 31-36.
20. Волков М.И. Структурообразование и взаимосвязь
структур в асфальтобетоне / М.И. Волков, И.В. Королев //
Материалы работ симпозиума по структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. – М.: СоюздорНИИ, 1968. –
С.38-47.
21. Воюцкий С.С. Аутогезия и адгезия полимеров /
С.С. Воюцкий. – М.: Ростехиздат, 1960.
22. Гегелия И.Д. Улучшение свойств асфальтобетона
кремнийорганическими соединениями / И.Д. Гегелия,
Л.Б. Гезенцвей // Труды СоюздорНИИ. – 1972. – Вып. 56. –
С. 89-94.
23. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов / Л.Б. Гезенцвей. – М.:
Стройиздат, 1971.
24. Гольденберг Д.Н. Исследование стабильности модифицированных битумов / Д.Н. Гольденберг // Труды СоюздорНИИ. – 1971. – Вып. 50. – С. 47-50.
256
25. Горелышев Н.В. О пластичности дорожного асфальтобетона / Н.В. Горелышев, Ф.Н. Пантелеев // Труды
МАДИ. – 1958. – Вып. 23.– С. 138-153.
26. Горчаков Г.И. Морозостойкость бетона в зависимости от его капиллярной пористости / Г.И. Горчаков // Бетон и железобетон. – 1964. – № 2. – С. 32-36.
27. Горчаков Г.И. О давлении воды, замерзающей в
капиллярах цементного камня / Г.И. Горчаков // Труды НИИЖБ. –1959. – Вып. 12.
28. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и
статистические параметры климатических факторов для технических изделий.
29. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства.
30. Гохман Л.М. Влияние вязкости битумов на физикомеханические свойства асфальтобетона / Л.М. Гохман // Труды СоюздорНИИ. – 1969. – Вып. 34. – С. 20-31.
31. Гребенщиков И.В. Просветление оптики / И.В. Гребенщиков, А.Г. Власов, Н.В. Суйковская. – М.: ГТТИ, 1946.
32. Дагаев Б.И. Битумоминеральные смеси на основе
доменных шлаков с регулируемыми свойствами / Б.И. Дагаев
// Автомобильные дороги. – 1973. – № 4. – С. 14.
33. Дерягин Б.В. Адгезия / Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова.
– Изд-во АН СССР, 1949.
34. Дерягин Б.В. Адгезия твердых тел / Б.В. Дерягин,
Н.А. Кротова, В.П. Смилга. – М.: Наука, 1973.
35. Джанасян Э.С. Некоторые вопросы повышения
трещиностойкости асфальтобетонных покрытий: автореф.
дис. … канд. техн. наук / Э.С. Джанасян. – М., 1969.
36. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических
свойств строительных материалов / А.Д. Дмитрович. – М.:
Госстройиздат, 1963.
37. Доклады от СССР XIУ Международному дорожному конгрессу. Прага, 1971. – М.: Транспорт, 1973.
38. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В.
Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.
257
39. Дурова Г.А. Особенности воздействия природных
факторов на покрытия из битумоминеральных смесей в условиях юга Дальнего Востока / Г.А. Дурова // Автомобильные
дороги, мосты и геодезия. – Л., 1973. – С. 3-5.
40. Дюрье М. Асфальтовые растворы и бетоны в дорожном и гидротехническом строительстве / М. Дюрье; пер.
с фр. – М.: Мир, 1972.
41. Еремеев Г.Г. О морозостойкости бетона / Г.Г. Еремеев// Бетон и железобетон. – 1964. –№ 2. – С. 64-65.
42. Заславская Н.И. Исследование свойств дорожных
битумов, улучшенных добавками синтетических латексов /
Н.И. Заславская // Вопросы строительства и эксплуатации автомобильных дорог. – Омск, 1972. – Вып. 3. – С.172-182.
43. Золотарь И.А. Исследование теплопроводности
слоев из гравийных и им подобных материалов / И.А. Золотарь // Информационный бюллетень Военно-транспортной
академии. – 1953. – Вып 43.
44. Золотарь И.А. Водно-тепловой режим земляного
полотна и дорожных одежд / И.А. Золотарь, В.М. Сиденко,
А.К. Тулаев. – М.: Транспорт, 1971.
45. Железко Е.П. О кинетике образования и рекомбинации свободных радикалов в битумах / Е.П. Железко,
Б.Г. Печеный // Труды СоюзДорНИИ. – 1970. – Вып. 46. –
С. 132-142.
46. Иванов Н. Н. О работоспособности асфальтового
бетона в дорожном строительстве / Н.Н. Иванов, Л.Г. Ефремов // Труды МАДИ. – 1973. – Вып. 63. – С. 52-59.
47. Иванов Н.Н. Причины образования трещин в асфальтобетонных покрытиях / Н.Н. Иванов // Труды МАДИ. –
1953. – Вып. 15. – С. 3-11.
48. Калашникова Т.Н. Прочностные и деформативные
характеристики песчаного асфальтобетона при воздействии
повторных нагрузок / Т.Н. Калашникова // Труды ГипродорНИИ. – 1970. – Вып. 1. – С. 49-54.
49. Каргин В.А. Электронно-микроскопическое исследование структуры каучуков / В.А. Каргин, В.Г. Журавлева,
З.Я. Берестенева // Доклады АН СССР. – 1962. – Т. 144. –
№ 5. – С. 1089-1090.
258
50. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел /
Г. Карслоу, Д. Егер. – М.: Наука, 1964. – 487 с.
51. Климашев Ф.С. Металлургические шлаки для дорожного строительства / Ф.С. Климашев // Автомобильные
дороги. – 1963. – № 2. – С. 20-23.
52. Ковалев Н.С. Морозостойкость битумошлаковых
смесей / Н.С. Ковалев // Применение местных дорожностроитель-ных материалов и отходов промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1976. –
Вып. 1.– С. 47 – 54.
53. Ковалев Н.С. Критерий трещиностойкости шлакоасфальтобетонных покрытий автомобильных дорог /
Н.С. Ковалев, С.И. Самодуров // Совершенствование проектирования и строительства автомобильных дорог. – Л., 1977.
– С. 77 – 82.
54. Ковалев Н.С. Применение метода математического
планирования экстремальных экспериментов для изучения
свойств асфальтобетона / Н.С. Ковалев, С.И. Самодуров,
Н.И. Сулин // Применение местных материалов и отходов
промышленности в дорожном строительстве. – Воронеж:
Изд-во ВГУ, 1979. – Вып. 2.– С. 32-40.
55. Ковалев Н.С. Повышение морозостойкости дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями / Н.С. Ковалев
// Информационный листок № 608-78 Воронежского ЦНТИ,
1978.
56. Ковалев Н.С. Уменьшение толщины морозозащитных слоев дорожных одежд / Н.С. Ковалев // Строительство
автомобильных дорог. – Л., 1978.
57. Ковалев Н.С. Теоретические предпосылки и экспериментальное обоснование морозостойкости шлакоасфальтобетонных смесей/ Н.С. Ковалев // Применение местных дорожно-строительных материалов и отходов промышленности
в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1979. –
Вып. 3. – С. 3-17.
58. Ковалев Н.С. Исследование морозостойкости и трещиностойкости асфальтобетонных покрытий из шлаковых
материалов: автореф. дис. … канд. техн. наук / Н.С. Ковалев.
– М.: МАДИ, 1979. – 19 с.
259
59. Ковалев Н.С. Влияние возраста образцов, натурного замораживания и оттаивания в лабораторных условиях на
структурно-механические свойства асфальтобетона из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев // Применение местных дорожно-строительных материалов и отходов промышленности
в дорожном строительстве. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1980. –
Вып. 4.– С. 53 – 65.
60. Ковалев Н.С. Исследование деформативных
свойств асфальтобетонов из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев // Пути повышения качества и снижения стоимости
строительства и эксплуатации дорог на юге РСФСР. – Ростов-на-Дону, 1980. – С. 13 – 21.
61. Ковалев Н.С. Взаимосвязь циклов замораживанияоттаивания асфальтобетона в лабораторных условиях с реальными в процессе эксплуатации покрытий / Н.С. Ковалев //
Совершенствование проектирования и строительства автомобильных дорог. – Л., 1980. – С. 97 –103.
62. Ковалев Н.С. Экспериментально-теоретическое
обоснование назначения количества циклов замораживанияоттаивания шлакоасфальтобетона в лабораторных условиях /
Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. –
1983. – № 4. – С. 116-119.
63. Ковалев Н.С. Экономическая эффективность применения шлаковых материалов в асфальтобетонных смесях /
Н.С. Ковалев //Ресурсы и эффективность строительства. –
Воронеж: Изд-во ВГУ, 1984. – С. 144-147.
64. Ковалев Н.С. Холодные асфальтобетонные смеси
для строительства сельских дорог / Н.С. Ковалев // Новые
строительные материалы и конструкции для сельского
строительства. – М.: МИИЗ, 1985. – С. 23-29.
65. Ковалев Н.С. Холодный асфальтобетон на основе
шлакового песка // Библ. указатель «Депонированные работы», № 7, 1990. Инф. сборник «Автомобильные дороги».
Экспресс-информация». Серия: Строительство и эксплуатация автомобильных дорог. – 1990. – № 5.
66. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов
для строительства внутрихозяйственных дорог / Н.С. Ковалев
260
// Достижения аграрной науки – стабилизации сельскохозяйственного производства. – Воронеж: ВГАУ, 1991.
67. Ковалев Н.С. Особенности шлакового асфальтобетона / Н.С. Ковалев, Э.А. Садыгов // Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования: тез.
докл. Межрег. научн.-практ. конф. – Воронеж: ВГАУ, 1997. –
С. 252.
68. Ковалев Н.С. Холодный асфальтобетон на основе
шлакового песка для строительства сельских автомобильных
дорог / Н.С. Ковалев // Современные проблемы землепользования Центрального Черноземья России. – Воронеж, 1997. –
Гл.2. – С. 23-25.
69. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов
для строительства сельских автомобильных дорог / Н.С. Ковалев, Н.А. Рязанов // Материалы международной научнопрактической конференции. Вестник ХДАУ. – 1999. – №5. –
С. 190-193.
70. Ковалев Н.С. Расширение сырьевой базы для
строительства сельских автомобильных дорог / Н.С. Ковалев,
В.В. Гладнев // Мiжнародна науково-практична конференцiя
«Соцiально-Економiчнi та екологiчнi i охоронин земель в
умовах реформування земельних вiдносин». – Харькiв, 2003.
– С. 46-48.
71. Ковалев Н.С. Материаловедение. Технология конструкционных материалов (Строительные материалы и изделия): учебное пособие / Н.С. Ковалев, В.В. Гладнев. – Воронеж: ВГАУ, 2009. –238 с.
72. Ковалев Н.С. Использование шлаковых материалов
в конструктивных слоях дорожных одежд / Н.С. Ковалев //
Матерiали III Мiжнародноi науково-практичноi конференцii
«Динамiка наукових дослiжень, 2004». – Том 65, Будiвництво
та архiтектура. – Днiпропетровськ: Наука i освiта, 2004. –
С. 45-47.
73. Ковалев Н.С. Исследование свойств асфальтобетона с добавками гранулированного доменного шлака НЛМК /
Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова // Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч. трудов. Вып. 6. – Воронеж: Истоки, 2008. – С.
80-97.
261
74. Ковалев Н.С. Исследование физико-химического
взаимодействия шлаковых материалов с битумом / Н.С. Ковалев, Я.А. Быкова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия:
Строительство и архитектура. – 2008. – Вып. 11 (30). – С. 8187.
75. Ковалев Н.С. Исследование комплексного воздействия факторов на предельное относительное удлинение асфальтобетона из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев //
Вестник Волгоградского государственного архитектурностроительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2009. – Вып. 14 (33). – С. 87-94.
76. Ковалев Н.С. Моделирование эксплуатационнокли-матических факторов на покрытия из шлакового асфальтобетона / Н.С. Ковалев, Б.Ф. Соколов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2009. – Вып.
16 (35). – С.81-88.
77. Ковалев Н.С. Обоснование технологических параметров приготовления асфальтобетонных смесей с использованием гранулированных доменных шлаков / Н.С. Ковалев,
Я.А. Быкова // Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч.
трудов. – Вып. 6. – Воронеж: Истоки, 2009. – С. 119-128.
78. Ковалев Н.С. Разработка метода комплексного воздействия эксплуатационно-климатических факторов на асфальтобетоны из шлаковых материалов / Н.С. Ковалев // Геодезия, кадастр, землеустройство: сб. науч. трудов. – Вып. 7. –
Воронеж: Истоки, 2009. – С. 110-119.
79. Ковалев Я.Н. Исследование некоторых теплофизических характеристик асфальтобетона/ Я.Н. Ковалев,
В.Д. Акельев// Физико-химическая механика дисперсных материалов. – Минск, 1969. – С. 248-254.
80. Ковалев Я.Н. Определение вязкости песчаного асфальтобетона методом осаживания цилиндров / Я.Н. Ковалев
// Автомобильные дороги. – 1966. – № 8. – С. 15-17.
81. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. – М.: Транспорт, 1973.
262
82. Колбановская А.С. Дифференциальная пористость
битумоминеральных материалов / А.С. Колбановская,
Н.В. Горелышев. – М.: Автотрансиздат, 1959.
83. Колбановская А.С. Поверхностно-активные добавки улучшают свойства битумоминеральных смесей и повышают их договечность/А.С. Колбановская, А.Р. Давыдова //
Автомобильные дороги. – 1959. – № 11. – С. 15-16.
84. Королев И.В. Процессы структурообразования в
битумах, наполненных минеральными порошками / И.В. Королев, В.В. Бутова // Труды СоюздорНИИ. – 1970. – Вып. 46.
– С. 161-167.
85. Косогляд Е.С. О влиянии неоднородностей структуры на трещиностойкость асфальтобетонов / Е.С. Косогляд,
В.Г. Пашковский, Н.В. Михайлов // Труды СоюздорНИИ,
1970. – Вып. 46. – С. 232-239.
86. Куделко М.Я. Исследование трещиностойкости
песчаных асфальтобетонных покрытий при низких температурах в условиях БССР: автореф. дис. … канд. техн. наук /
М.Я. Куделко. – Минск, 1979. – 20 с.
87. Кузнецов А.П. Местные обломочные материалы в
строительстве на Северо-Западе / А.П. Кузнецов. – Л.:
Стройиздат, 1975.
88. Курц П.Ю. Склеивание стекла со стеклом, фарфором и металлом / П.Ю. Курц. – ПДНТП, 1960.
89. Ладыгин Б.И. Прочность и долговечность асфальтобетона / Б.И. Ладыгин, И.Г. Яцевич. – Минск, 1972.
90. Лапин В.В. Петрография металлургических и топливных шлаков / В.В. Лапин. – М.: Изд-во АН СССР, 1956.
91. Леб Л. Статическая электризация / Л. Леб. – М.:
Госэнергоиздат, 1963.
92. Михайлов В.В. Требования к битумам и пути их
улучшения / В.В. Михайлов // Труды СоюздорНИИ. – 1970. –
Вып. 46. – С. 5-9.
93. Михайлов В.В. Строительство асфальтобетонных
покрытий в СССР / В.В. Михайлов // Материалы работ по
структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. – М.:
СоюздорНИИ, 1968. – С. 18-27.
263
94. Михайлов Н.В. Физико-химическая механика асфальтового бетона / Н.В. Михайлов // Материалы работ симпозиума по структуре и структурообразованию в асфальтобетоне. – М.: СоюздорНИИ, 1968. – С.18-27.
95. Москвитин В.М. Бетон для строительства в суровых климатических условиях / В.М. Москвитин, М.М. Капкин, А.Н. Савицкий, В.Н. Ярмаковский. – Л., 1973.
96. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений / К. Наканиси. – М.: Мир, 1965.
97. Никомото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений / К. Никомото. – М.:
Мир, 1966.
98. Плюсина И.И. Инфракрасные спектры силикатов /
И.И. Плюсина. – М.: Изд-во МГУ, 1967.
99. Попов Т.Т. Дорожные покрытия из холодного асфальтобетона и черного щебня на дорогах Украины /
Т.Т. Попов // Автомобильные дороги. – 1972. – № 6. – С. 1719.
100. Почтовик В.Г. Методы и средства испытания
строительных конструкций / Г.Я. Почтовик, А.К. Злочевский,
А.И. Яковлев. – М.: Высшая школа, 1973.
101. Применение спектроскопии в химии / Под ред.
В. Вес-та. – М.: ИЛ, 1959.
102. Проектирование нежестких дорожных одежд.
ОДН 218.046-01. – М., 2001. – 145 с.
103. Радовский Б.С. Испытание образцов-балочек
кратковременными нагрузками/ Б.С. Радовский, И.М. Щербаков // Автомобильные дороги. – 1976. – № 6. – С. 14-16.
104. Распопов Н.М. Исследование морозоустойчивости
асфальтового бетона / Н.М. Распопов // Исследование вяжущих материалов и физико-механических свойств асфальтовых смесей. – М., 1949.
105. Расстегаева Г.А. Исследование процессов структурообразования смесей из гранулированного доменного
шлака и вязкого битума при строительстве покрытий автомобильных дорог: автореф. дис. … канд. техн. наук / Г.А. Расстегаева. – Воронеж, 1970.
264
106. Расстегаева Г.А., Ковалев Н.С., Самодуров
С.И., Мас-лов С.М. Холодная асфальтобетонная смесь. Авт.
свид. № 707945. – Бюл. изобрет. – № 1. – 1980.
107. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур / П.А. Ребиндер // Физико-химическая механика дисперсных структур. – М.: Наука, 1966. – С. 6-12.
108. Рихартц В. Электронномикроскопические исследования взаимосвязи структуры и прочности цементного
камня / В. Рихартц. – 5-й Международный конгресс по химии
цемента. – М.: Стройиздат, 1973. – С. 282.
109. Руденский А.В. Исследование водоустойчивости
битумоминеральных материалов / А.В. Руденский,
И.М. Горшков // Труды ГипродорНИИ. – 1973. – Вып. 7. –
С. 46-51.
110. Русин Н.П. Прикладная актинометрия / Н.П. Русин. –Л.: Гидрометиздат, 1979.
111. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны / И.А. Рыбьев. –
М.: Высшая школа, 1969.
112. Рыбьев И.А., Бушмакина В.М. Исследование теплотехнических характеристик асфальтобетона / И.А. Рыбьев,
В.М. Бушмакина // Труды МАДИ. – 1958. – Вып. 23. – С. 111118.
113. Самодуров С.И. Методика определения теплопроводности смесей из гранулированных доменных шлаков и
битума / С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1971. – № 1. – С. 140-142.
114. Самодуров С.И. Исследование теплопроводности
битумошлаковых смесей / С.И. Самодуров, Н.С. Ковалев //
Материалы XXУI науч.-техн. конф. ВИСИ. – Воронеж, 1971.
– С. 154-155.
115. Самодуров С.И. Применение шлакопемзового
песка в покрытиях автомобильных дорог / С.И. Самодуров,
Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев и др. // Обзорная информация ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. – 1972. – № 4. – С. 3-18.
116. Самодуров С.И. Термохимические процессы в
битумошлаковых смесях, приготовленных на гранулированном доменном шлаке Новолипецкого металлургического завода / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев,
265
В.Г. Еремин // Изв. вузов. Строительство и архитектура. –
1973. – № 6. – С. 138-141.
117. Самодуров С.И. К обоснованию температурного
режима приготовления битумошлаковых смесей / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев и др. // Тезисы докл. и
сообщ. на конф. «Использование местных каменных материалов и отходов промышленности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог». – М.: СоюздорНИИ, 1974.
– С. 44.
118. Самодуров С.И. Применение отходов дробления
литого шлакового щебня для строительства автомобильных
дорог / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева, Н.С. Ковалев //
Экспресс-информация ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. – 1974.
– № 13. – С. 1-6.
119. Самодуров С.И. Битумоминеральные смеси на
шлакопемзовом песке / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев и др. // Тезисы докл. и сообщ. на конф. «Использование местных каменных материалов и отходов промышленности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог». – М.: СоюздорНИИ, 1974. – С. 42-43.
120. Самодуров С.И. Взаимодействие шлаковых материалов с битумом / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев, В.Г. Еремин // Изв. вузов. Строительство и архитектура. – 1975. – № 1. – С. 128-131.
121. Самодуров С.И. К вопросу старения битума в битумошлаковых смесях / С.И. Самодуров, Г.А. Расстегаева,
Н.С. Ковалев, В.Г. Еремин // Материалы XXIХ науч.-техн.
конф. ВИСИ. – Воронеж, 1975. – С. 97-98.
122. Самодуров С.И. О долговечности битумошлаковых
покрытий автомобильных дорог / С.И. Самодуров, С.М. Маслов, Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура.
– 1976. – № 8. – С. 147-151.
123. Самодуров С.И. Гранулированные доменные шлаки и шлакопемзовые пески в дорожном строительстве / С.И.
Самодуров. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1975. – 184 с.
124. Самодуров С.И. Способ подготовки образцов асфальтобетонов к испытаниям на прочность при сжатии и растяжении при изгибе и расколе / С.И. Самодуров, Б.Ф. Соко266
лов, Н.С. Ковалев // Изв. вузов. Строительство и архитектура.
– 1980. – № 10. – С. 86-89.
125. Самодуров С.И. Асфальтовый бетон с применением шлаковых материалов / С.И. Самодуров. – Воронеж: Издво ВГУ, 1984. – 106 с.
126. Сахаров П.В. Дорожные строительные материалы.
– М.: Гостранстехиздат, 1938.
127. Словуцкий О.И. Процессы взаимодействия в системе «минеральный материал-битум-минеральный материал»
/ О.И. Словуцкий // Изв. вузов. Строительство и архитектура.
– 1974. – № 12. – С. 145-148.
128. Соколов Б.Ф., Самодуров С.И., Ковалев Н.С. Способ подготовки образцов строительных материалов к испытаниям на прочность. Авт. свид. № 665254. – Бюл. изобрет. –
1979. – № 20.
129. Сотникова В.Н. Гидрофобизация кремнийорганическими соединениями некондиционных минеральных порошков для асфальтобетона / В.Н. Сотникова // Труды СоюздорНИИ. – 1969. – Вып 34. – С. 189-193.
130. Стольников В.В. Исследования по гидротехническому бетону / В.В. Стольников. – М.: Госстройиздат, 1962.
131. Сюньи Г.К. Дорожный асфальтовый бетон /
Г.К. Сюньи. – Киев: Госстройиздат УССР, 1962.
132. Таращанский Е.Г. Исследование деформативных и
акустических показателей песчаного асфальтобетона /
Е.Г. Таращанский, В.А. Зыков, И.И. Вильсмен // Труды СоюздорНИИ. – 1975. – Вып 79. – С. 141-145.
133. Таращанский Е.Г. Повышение деформативных
свойств и морозостойкости песчаных битумоминеральных
материалов/Е.Г. Таращанский, В.А. Зыков//Автомобильные
дороги. – 1973. – № 11.
134. Тезисы докладов и сообщений на конференции
«Использование местных каменных материалов и отходов
промышленности в строительстве и эксплуатации автомобильных дорог». – М.: СоюздорНИИ, 1974.
135. Технические условия. Смеси битумошлакопемзовые, горячие, дорожные. ТУ № 67–13–02–74.
267
136. Технические условия. Смеси асфальтобетонные
дорожные с применением гранулированных доменных шлаков. ТУ № 478–3–77.
137. Шейнин А.Е. Структура, прочность и трещиностойкость цементного камня / А.Е. Шейнин. – М.: Стройиздат, 1974.
138. Шестоперов С.В.Долговечность бетона транспортных сооружений. – М.: Транспорт, 1966.
139. Bynum D. JR. Feilure envlopes for asphaltic concrete
/ D. JR. Bynum, R.N. Traxler // Mater et constr. – 1973. –V. 6. №
36. – S. 441-446.
140. Collinz A.R. The Destruction of Concrete bu Frost /
A.R. Collinz // Jornal of the Inst. Civ. Eng. – 1944. – V. 32. № 1
– S. 144-160.
141. Gad W. Forschungsergergebnisse uber AsbestKautschuk als Fullerstoff bituminosen Massen / W. Gad //
Strassen- und Tiefbau. – 1963. – B. 17, № 12. – S. 25-29.
142. Henk B. Weisser und grauer Strassenbeton mit hoher
Frost- und Tausalz bestandigkeit / B. Henk // Strassenbautechn. –
1964. – B. 17, № 11.
143. Kjaernsli B. Laboratory tests on asphatic concrete for
an impervions membrane on the Venemorockfill Dam /
B. Kjaernsli, J. Moum, I. Torblaa//Publ. Norgen geotekn inst. –
1966. – № 11. – p. 17-26.
144. Krenkler K. Versuche mit verbesserten bituminosen
Bindemitteln / K. Krenkler // Strassen- und Tiefbau. – 1963. – B. 17,
№ 11.
145. Loren Mc., J. Polimer SCI, – № 3, 1948, – s. 652
146. Peffekoven W. Der Einfluβ von Bindemittelmenge und
härte auf das Verformungsverhalten von Asphaltmischungen /
Bitumen, 1974, № 4, – S. 104-110.
147. Power T.C. A working hypothesis for further studies
of frost resistance of concrete / ACI, – v. 16, № 4, 1945.
148. Send A., Geolsdorf G., Keiser H. Verwendburktit von
Hochofenschlacke als bitumioses Heiβmischgut für den
Straβenbau / A. Send, G. Geolsdorf, H. Keiser //– Stahl- und
Eisen, 1960, B. 80, № 5, S. 290-296.
268
149. Slag H. Producktion increase an ticipated for next 5
cars. – Rock Prodcts, 1974, № 12. – S. 52.
150. Vautrin J.C. Coordination des laitiers a echelon national / Leit hauts fourneaux, 1974, 27, № 30. – S. 13.
151. Vogel W., Gerth K / Zur Struktur von Flujridgläsern,
T. 11. Die Glfssysteme MgF 2 – BeF 2 – CaF 2 // Silikattechnik. –
S. 353-358.
152. Weinhold J., Lucke H., Kroll K. Zur Gewinnung und
Aufberaitung von Hochofenschlackenschemelzen fus modernen
Verhüttungsverfahren zu Strassenbastoffen / J. Weinhold, H
Lucke., K. Kroll // Strasse und Autobahn, 1969, № 7. – S. 256269.
153. Une neuvelle methode de prevision de la duree de vie
en fatiqe des enrobes bitumineux // Revua generale des routes et
des aerodromes. 1982. № 583.
269
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ…………………………………………………..
1.1. Анализ существующих работ по исследованию
долговечности асфальтобетонных покрытий при воздействии
знакопеременных температур..……………………………………...
1.2. Особенности свойств асфальтобетона из шлаковых
материалов как фактора повышения долговечности покрытий
автомобильных дорог………………………………………………...
1.3. Выбор и обоснование методов исследования
асфальтобетона на основе гидравлически активных минеральных
компонентов...................................................................................................
1.4. Разработка метода комплексного воздействия
рецептурных, природно-климатических и технологических
факторов на структурно-механические свойства асфальтобетона…
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………….
2.1.Современные представления о природе адгезионных
связей в дисперсных системах………………………………………
2.2. Исследование физико-химического взаимодействия
шлаковых материалов с битумом…………………………………...
2.3. Обоснование температурного режима приготовления
асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов………………
2.4. Исследование строения порового пространства
шлаковых материалов и асфальтобетона на их основе……………
2.5. Оптимизация структуры асфальтобетона из шлаковых
материалов в процессе технологических операций………………..
2.6. Исследование коэффициента теплопроводности и его
изменения от составов асфальтобетона из шлаковых материалов...
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ
ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР…………………………...
3.1. Экспериментально-теоретическое обоснование
назначения количества циклов замораживания-оттаивания
асфальтобетона из шлаковых материалов в лабораторных
условиях………………………………………………………………
270
3
5
6
16
24
29
33
33
37
46
53
78
88
98
98
3.2. Воздействие уплотняющей нагрузки и содержания
битума на морозостойкость асфальтобетона из шлаковых
материалов……………………………………………………………
3.3. Влияние характера уплотняющей нагрузки и активности
шлака на морозостойкость асфальтобетона………………………..
3.4. Влияние вязкости битума, возраста и продолжительности
водонасыщения асфальтобетона на морозостойкость …………….
3.5. Комплексное воздействие эксплуатационно-климатических
факторов на структурно-механические свойства асфальтобетона…
3.6. Исследование структуры асфальтобетона из шлаковых
материалов после замораживания-оттаивания……………………..
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАТИВНЫХ И
РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА ИЗ
ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ……………………………………...
4.1. Влияние рецептурных, технологических и
климатических факторов на пределы прочности при изгибе……..
4.2. Исследование предельного относительного удлинения
асфальтобетона из шлаковых материалов …………………………
4.3. Обоснование предельной вязкости ненарушенной
структуры асфальтобетонных покрытий по условиям температурной
трещиностойкости……………………………………………………
4.4. Реологические свойства асфальтобетонов………………..
4.5. Исследование ударной вязкости асфальтобетона………..
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОКРЫТИЯ
ИЗ ШЛАКОВОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА…………………………
5.1. Обоснование параметров моделирования………………...
5.2. Исследование комплексного воздействия факторов
на асфальтобетон из шлаковых материалов………………………..
ГЛАВА 6. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ…………….
6.1. Технология приготовления, укладки и уплотнения
асфальтобетонных смесей из шлаковых материалов………………
6.2 Кинетика изменения структурно-механических свойств асфальтобетонных материалов в процессе эксплуатации покрытий…...
6.3. Рекомендации по конструированию и проектированию
дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями из шлаковых
материалов …………………………………………………………...
6.4. Методика определения технико-экономической
эффективности использования шлаковых материалов в
асфальтобетонных смесях…………………………………………...
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………….
271
107
113
120
126
135
149
149
163
170
176
184
195
195
201
218
218
221
245
250
253
254
Научное издание
Ковалев Николай Сергеевич
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ШЛАКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Монография
Редактор М.Н. Изюмцева
Компьютерная верстка И.А. Остапенко
Подписано в печать 13.02.2012 . Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Гарнитура Таймс. П. л. 16,8
Тираж 500 экз. Заказ №
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Воронежский государственный аграрный университет
имени императора Петра 1»
Типография ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ
394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1.
272
273
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа