Структура асфальтобетона

Твердение и формирование структуры асфальтобетона

1. Структура асфальтобетона

2. Твердение асфальтобетона

Структуру асфальтобетонной смеси и асфальтобетона целесообразно представить состоящей из трех подструктур:

1. микроструктура – двухкомпонентная система, состоящая из битума и наполнителя (минерального порошка).

2. мезоструктура – двухкомпонентная система, состоящая из асфальтового вяжущего вещества и песка.

3. макроструктура – двухкомпонентная система, состоящая из асфальтового раствора и заполнителя.

Каждая подструктура представляется состоящей из двух условно сплошных взаимопроникающих сред: твердого каркаса (скелета) и жидкой (или отвердевшей) сплошной фазы. В процессе формирования структуры асфальтобетона каждая жидкая фаза насыщается в определенной степени диспергированными в ней частицами твердой фазы и образует тот или иной тип конгломератной структуры.

По степени конгломератности различают контактную и порфировидную структуры. О степени конгломератности асфальтобетона судят в первом приближении по коэффициенту упаковки крупнообломочных включений – щебня в щебеночном асфальтобетоне и крупного песка в песчаном.

К = (l-d)/d, где l проекция расстояний между центрами соседних частиц и d - диаметр частиц для которых вычисляется этот коэффициент. К > 1 для порфировых (бескаркасных) структур и К < 1 для контактных (каркасных) структур.

Типичными представителями битумоминеральных смесей порфировидной структуры являются асфальтовая мастика и литой асфальтобетон, а каркасной структуры - битумощебеночная смесь.

Порфировидная или базальная структура характеризуется незначительным содержанием твердой фазы (10-20 %). Размер, форма и свойства поверхности заполнителя не оказывают существенного влияния на свойства подструктур асфальтобетона, а в некоторых случаях может привести к снижению этих свойств.

Порово-базальная структура характеризуется повышенным, по сравнению с порфировидной структурой, содержанием твердой фазы (30-45 %). Образуются точечные контакты между зернами заполнителя, через тонкие пленки ориентированного битума. Прочность битумных слоев настолько велика, что битум под нагрузкой практически не вытесняется.

При увеличении содержания твердой фазы до 65 % образуется пространственный каркас, межзерновые пустоты которого заполняются жидкой фазой, а зерна заполнителя контактируют между собой через тонкие пленки ориентированного битума. Такая структура называется поровой.

Контактная структура характеризуется повышенным содержанием межзерновых пустот, объем которых превышает объем жидкой фазы. Такая подструктура обладает повышенной пористостью и пониженной прочностью.

Получение асфальтобетона с заданной структурой и свойствами достигается путем количественного соотношения между микро-, мезо- и макроструктурами. При этом необходимо помнить, что данной макроструктуре соответствуют только определенные мезо- и микроструктуры.

Структура	Тип структуры
Макро- (щебень)	Базальная (<30 %)	Поровая (50-60 %)	Контактная (> 65%)
Мезо- (песок)	Контактно-поровая (>40 %)	Порово-базальная (30-40 %)	Базальная (<30 %)
Микро- (асф. вяж. вещ.)	Поровая (>15 %)	Базальная (около 10 %)	Базальная (<5 %)

Существует закономерность, согласно которой тип структуры асфальтобетона определяется вязкостью битума. Концентрация минерального порошка в битуме обратно пропорциональна вязкости битума. Отношение МП:Б для асфальтобетона, приготовленного на жидком битуме, снижается по мере повышения вязкости битума. Такой переход связан с недостаточной насыщенностью жидких битумов асфальтенами, при этом зерна минерального порошка являются центрами структурообразования и способствуют упрочнению структуры и ее стабилизации.

При твердении асфальтобетона, после смешивания каменных материалов с битумом и укладки смеси в покрытии, можно выделить следующие процессы:

1. Физические – протекающие на границе раздела двух фаз;

2. Хемсорбционные – связанные с химическими факторами взаимодействия битума с каменной поверхностью;

3. Фильтрационные – связанные с процессом проникновения битума вглубь каменного материала за счет фильтрации вследствие осмотических явлений.

Характер связей наиболее ярко проявляется в микроструктурной части асфальтобетона.

Коагуляционными – называются структуры, в образовании которых принимают участие слабые вандервальсовые силы сцепления между частицами. Действующие через прослойки жидкой среды. Чем меньше концентрация твердой фазы и, следовательно, толще прослойки жидкой среды между частицами, тем более резко выражается тиксотропность структуры. Среди других свойств, характерных для коагуляционных структур, следует выделить пластичность, ползучесть и пониженную прочность.

Конденсационные структуры в асфальтовых системах образуются при непосредственном сближении частиц твердой фазы. Под влиянием структурирования битума при понижении температуры или отделении среды из битума (синерезис битума) с миграцией в пористую прокладку минеральных материалов (или испарения некоторой доли жидкой среды) происходит сближение частиц твердой фазы. Для этой структуры характерны повышенная прочность, хрупкость и необратимое разрушение. При благоприятных условиях возможен обратный переход конденсационной структуры в коагуляционную, если к этому времени не произошло необратимых явлений в битуме в связи с его старением.

Кристаллизационными называются структуры, образовавшиеся путем выкристализовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего срастания кристаллов в прочный моно или поликристаллический агрегат. При кристаллизации в стесненных условиях образуется порфировидная кристаллическая структура, т.е. на общем фоне аморфной массы видны отдельные относительно крупные кристаллы. В области положительных температур наиболее типичной структурой асфальтобетона и асфальтового вяжущего вещества является коагуляционная. При отрицательных температурах – кристаллизационная. При изменении температуры наблюдается переход из одной модификации в другую.

Чем в меньшей степени асфальтобетон подвержен структурным модификациям, тем более стабильными являются его физико-механические свойства. Сохранение однородной структуры у асфальтобетона в эксплуатационный период является основой его долговечности, так как внутренние структурные напряжения, возникающие при переходах от одной модификации к другой, постепенно расшатывают микро- и макроструктуру монолита с возможным нарушением его сплошности.

Твердение горячего асфальтобетона продолжается несколько часов в основном под влиянием снижения его температуры. Твердые частицы минеральной смеси в монолите после уплотнения массы в покрытии фиксируются на сравнительно постоянных расстояниях друг от друга через прослойки неравной толщины адсорбированного и структурированного битума. Крупные зерна щебня и песка, кроме структурированного слоя, обычно окружены свободным или «объемным» битумом. Свободный битум также является структурированным, особенно при пониженных температурах, так как в нем меняются толщины сольватных оболочек с появлением новых лиофильных центров в среде битума.

Основные явления и процессы в период твердения асфальтобетона выражается в следующем:

- диффузионное проникновение молекул в контактируемых прослойках;

- появление новых лиофильных центров в среде битума с последующим затуханием этого процесса.

- снижение под влиянием внутримолекулярного теплового движения напряжения, вызванные уплотнением покрытия (релаксация напряжений).

Структурирование сопровождается кристаллизацией или укрупнением мицелл, это приводит к поглощению дополнительного количества смол битума и в отдельных случаях может завершиться локальными разрывами пространственных оболочек среды. Поэтому битум выбирается с достаточным количеством свободной среды, чтобы предотвратить возможность образования микротрещин.

Твердение холодного асфальтобетона происходит в результате окисления битума, испарения его легких фракций и частичного поглощения среды из битума в пористую подкладку заполнителя, и поэтому формирование его структуры происходит значительно медленнее и может продолжаться 20-30 суток в зависимости от внешних факторов. Слишком сильная уплотненность покрытия в период эксплуатации нежелательна, так как растворитель лишен возможности нормально испаряться.