Старение асфальтобетона
Московский Государственный >
Автомобильно-Дорожный Институт
(Технический Университет)
Кафедра «Дорожно-строительные материалы»
Реферат
на тему:
«Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации»
Студент: Мазиев В.А.
Группа: 5СА1
Преподаватель: Котлярский Э.В.
Москва 2008
Оглавление
Введение 3
Процессы старения асфальтобетона, его долговечность 4
Технологическое старение битума 11
Усталостные свойства асфальтобетона 12
Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации 15
Выводы 19
Список используемой литературы 20
Введение
Автомобильные дороги занимают важное место в развитии экономики любой страны.
С середины 20 века наибольшее распространение на автомобильных дорогах получили асфальтобетонные покрытия. Асфальтобетоном называется искусственный строительный материал, полученный в результате уплотнения специально приготовленной и рационально подобранной смеси щебня, песка, минерального порошка и битума.
Широкое применение асфальтобетонных покрытий объясняется рядом положительных качеств, а именно:
— достаточной механической прочностью;
— воспринимать упругие и пластические деформации;
— хорошим сцеплением с шинами транспортных средств, что обеспечивает безопасные условия дорожного движения;
— ровностью покрытия, обеспечивающей комфортность и бесшумность скоростного движения и удобство пассажирам;
— демпфирующей способностью, позволяющей гасить колебания и вибрацию, возникающую при движении автомобильного транспорта;
— технологичностью и ремонтопригодностью, обеспечивающей простоту выполнения ремонтных работ и устранения дефектов;
— возможностью полной механизации работ при приготовлении, строительстве и ремонте.
Покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации находится под воздействием, главным образом, двух групп факторов — погодно-климатических и механических, обусловленных нагрузками от транспортных средств. Под воздействием именно этих двух групп факторов происходят необратимые изменения свойств и структуры асфальтобетона в слое покрытия, снижающее его долговечность.
На прочность и долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий значительное влияние оказывают усталостные явления, вызываемые нагрузками от транспортных средств и усиливаемые неровностями проезжей части.
При оценке долговечности асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать все факторы в их комплексе (взаимосвязи), так как результат их совместного воздействия на покрытие существенно отличается от влияния каждого фактора в отдельности.
Процессы старения асфальтобетона, его долговечность
Асфальтовый бетон в процессе работы в дорожных покрытиях подвергается воздействию комплекса атмосферных факторов и во времени изменяет свои свойства. Одной из причин разрушения асфальтобетонных покрытий является старение битума, входящего в состав материала, что связано с потерей им вязкопластических свойств. Это обуславливается испарением масел, входящих в состав битумов. Интенсивность этого процесса зависит от температуры их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров, насыщающих пространство. По его мнению, способны испаряться масла с молекулярной массой ниже 400. Это обстоятельство требует экспериментального и теоретического подтверждения.
Вторым важным фактором старения органических вяжущих в асфальтобетоне является химическое изменение компонентов битума с образованием новых высокомолекулярных органических соединений. Эти изменения связаны с процессом окисления. Интенсивность этого процесса зависит от величины и совокупности действия многих факторов — теплового воздействия, солнечного света, механических воздействий, действия солей металлов переменной валентности (железа, меди, марганца...) и др
При старении асфальтобетона в слое дорожного покрытия подвоздействием кислорода воздуха, температурных условий и воды ярко проявляется четыре основных стадии этого процесса: упрочнение структуры, ее стабилизация, начало развития деструкционных процессов и разрушение. Длительность каждой стадии, определяется многими факторами: технологией приготовления смесей и ее параметрами, происхождением, свойствами и зерновым составом минеральных материалов, характером взаимодействия вяжущего с поверхностью минеральных материалов, режимом технологии уплотнения смесей, интенсивностью движения транспортных средств и степенью их удельного давления на покрытие, климатическими условиями региона и др.
Первая стадия старения асфальтобетона характеризуется его упрочнением, повышением водостойкости и снижением деформативных материала, которые происходят под действием уплотняющих нагрузок от транспортных средств, а также под воздействием погодно-климатических факторов и процессов взаимодействия битума с минеральными материалами (перераспределением активных
соединений битума в объеме битумных пленок по их толщине с повышением концентрации высокомолекулярных соединений — асфальтенов на границе с минеральной поверхностью), вызывающих уменьшение количества масел и увеличение количества смол и асфальтенов в асфальтобетоне, а также повышение когезии битума. Вторая стадия старения наиболее продолжительная и характеризуется практической неизменностью показателей прочности асфальтобетона. Однако водо- и морозостойкость этого материал на второй стадии старения снижаются.
Третья и четвертая стадий старения характеризуются резким снижением прочности асфальтобетона, ростом его водонасыщения, уменьшением водо- и морозостойкости, которые могут привести к быстрому, разрушению дорожного покрытия. При этом четкой границы между третьей и четвертой стадиям и не существует. Для предотвращения обвального разрушения дорожного покрытия, вызванного интенсивным старением асфальтобетона, и своевременного назначения ремонтных работ с целью продления его срока службы необходимо периодически (непосредственно после изготовления и на разных стадиях эксплуатации) оценивать и прогнозировать долговечность покрытия.
Представление о старении органических вяжущих основывается на теории цепных химических реакций Н.Н. Семенова. Основная роль в этих
реакциях принадлежит пероксидным и гипероксидным соединениям, которые образуются на начальных стадиях взаимодействия кислорода с углеводородами. Эти неустойчивые соединения распадаются на свободные радикалы и дают начало новым цепям окислительных реакций. При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных углеводородов с выделением газообразных и жидких веществ (СО, С02, Н20, CH20, CH3CHOR — СООН). Ненасыщенные группы углеводородов, содержащиеся в органических вяжущих, сравнительно легко отдают водород, который соединяется с кислородом воздуха, переводя их в еще более ненасыщенные химические соединения, которые затем уплотняются (поли-меризуются), образуя более сложные высокоуглеродистые соединения. В процессе старения изменяется групповой состав битума, что характеризуется уменьшением масляной и увеличением смолисто-асфальтеновой составляющих (рис.1).
>
>
Рис.1 Изменение группового состава битума после старения
Эти изменения вызывают изменения структуры и свойств битума и асфальтобетона — повышается вязкость, теплоустойчивость, жесткость и упругость, понижается пластичность. Это способствует хрупким разрушениям асфальтобетона при низких зимних температурах.
Процесс старения асфальтобетона различных составов в 60-е годы XX века при воздействии различных эксплуатационных факторов был исследован в ЦНИЛ Гушосдора Э.М. Ваулиным, Г.Н. Никифоровым и С.В. Шестоперовым. Было установлено, что при старении прочность асфальтобетона увеличивается (рис. 2), а ее 30% увеличение вызывает резкое снижение трещиностойкости материала в зимний период.
>
Рис.2 Изменение прочности асфальтобетона
после длительного прогрева при температуре 90° С
В последующие годы было установлено, что интенсивность описанных выше процессов зависит от того, каким образом прогревался битум — в объеме или в пленке, покрывающей минеральные частицы. Пленочный битум в асфальтобетоне стареет, при прочих равных условиях, интенсивнее. Это позволило разделить процессы старения, протекающие на технологической стадии и аналогичные процессы в период эксплуатации. Совершенствование технологии приготовления асфальтобетона привело к тому, что в последнюю четверть прошлого столетия и на современных асфальтобетонных заводах стали появляться накопительные бункера для хранения приготовленной асфальтобетонной смеси. Время хранения может составлять до 1 смены и даже 1 суток. В процессе этой технологической операции может происходить интенсивное старение битума в пленках на поверхности минеральных частиц.
В отличие от этого старение на стадии эксплуатации асфальтобетонных покрытий происходит гораздо медленнее, а время измеряется годами.
Регулировать процессы технологического старения битума в асфальтобетоне можно использованием более термостабильных вяжущих и обоснованием температурных режимов приготовления, доставки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей. Старение на стадии эксплуатации может быть замедленно при использовании соответствующих поверхностно-активных веществ.
Процесс старения асфальтобетона на поверхности и в глубине асфальтобетонного покрытия в связи с различием действия атмосферных факторов протекает неодинаково. В верхней части покрытия уже через несколько лет эксплуатации асфальтобетон может сильно состариться, а в нижней части асфальтобетон свои вязкоупругие свойства. Таким образом, старение асфальтобетона наибольшее влияние оказывает на нисходящее усталостное трещинообразование, что проявляется образованием продольных трещин по краям зоны полосы наката. В районах с климатическими условиями, ускоряющими процессы старения (например, юг России), все мероприятию по замедлению старения органических вяжущих в покрытии эффективны и с точки зрения увеличения усталостной долговечности
Под долговечностью асфальтобетона обычно понимается время, в течение которого этот материал сохраняет свои основные свойства на уровне, удовлетворяющем требованиям его эксплуатации в слое дорожного покрытия.
Долговечность является важнейшей характеристикой дорожных асфальтобетонных покрытий. Долговечность асфальтобетона должна учитываться при конструировании дорожных одежд, разработке новых технологий приготовления асфальтобетонных смесей, проектировании их составов, применении модифицирующих добавок в процессе получения смесей с целью улучшения их качества. Во многих случаях долговечность асфальтобетона является главным критерием при выборе составов технологий приготовления различных асфальтобетонных смесей.
Исследованием влияния эксплуатационных воздействий на долговечность асфальтобетона занимались специалисты многих стран. Однако, несмотря на многочисленные работы в этой области, которые продолжаются и в настоящее время, нельзя считать, что выявлены все воздействия и полностью изучены механизмы их влияния на асфальтобетон.
Наоборот, по мере исследования отдельных факторов, появляются новые, ранее неизвестные, требующие более тщательного рассмотрения их влияния на долговечность и надежность работы асфальтобетонных покрытий. В зависимости от этих факторов могут меняться количественные характеристики сроков службы дорожных покрытий. Эксплуатационные воздействия, способствующие разрушению структуры асфальтобетона можно условно разделить в три основные группы:
— воздействие автотранспортных средствна асфальтобетон дорожной конструкции;
— воздействие окружающей среды, вызывающие снижение структурно-механических характеристик асфальтовых бетонов;
-воздействие факторов, связанных с эксплуатацией асфальтобетонных покрытий.
Рис.3 Основные эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные конструктивные слои дорожной одежды>
Оценка долговечности асфальтобетона была и остается важнейшей проблемой прогнозирования его срока службы в покрытие дорожной одежды. Однако, несмотря на важность ■ большую значимость долговечности асфальтобетона, в настоящее время отсутствуют стандартизированные показатели, позволяющие оценивать эту характеристику, а испытания асфальтобетона с определением показателей, предусмотренных ГОСТ 9128-97 на асфальтобетон, не позволяют ее прогнозировать. Это обусловлено тем, что долговечность дорожного асфальтобетона является комплексной характеристикой, зависящей от многих факторов, в числе которых климатические условия, параметры воздействия на покрытие нагрузок от транспортных средств характер конструкции дорожной одежды и свойств основания, структура и особенности свойств асфальтобетонов в слое дорожного покрытия
В связи с отсутствием стандартизованных методов прогнозирования срока службы асфальтобетонных покрытий и их чрезвычайной важностью появилось большое число различных нестандартизованных показателей и методик, позволяющих при проведении сравнительных испытании оценивать долговечность дорожных асфальтобетонов.
Вот несколько их них:
а)Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по данным их визуального осмотра. Визуальный осмотр позволяет наиболее быстро дать оценку состояния дорожных покрытий, интенсивности образования на них деформаций и разрушений. Однако этот метод при всей его простоте и удобстве наименее точный и используется, главным образом на стадии выборочной предварительной оценки состояния дорожных покрытий. При этом под деформацией покрытия понимается изменение размеров или формы его поверхности без потери сплошности асфальтобетона и уменьшения его массы. Разрушение — изменение размеров и формы поверхности покрытия при потере сплошности и изменении массы асфальтобетона. Оценка и прогнозирование долговечности производится путем сопоставления и анализа данных с требованиями предъявляемых к покрытиям автомобильных дорог.
На основании результатов, полученных в ходе анализа при сопоставлении данных обследования покрытия с требованиями, предъявляемыми к нему, дается заключение о состоянии покрытия, прогнозе его долговечности, возможности дальнейшей эксплуатации и т.д.
б) Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по интенсивности их износа. Износ характеризуется потерей массы материала, отнесенной к площади оцениваемого участка. В пределах проезжей части износ покрытия происходит неравномерно. Неодинаковый износ по площади дорожного покрытия обусловлен следующими факторами: непостоянством прочности поверхностного слоя по площади; низкой ровностью, что приводит к ударным нагрузкам и застою воды на поверхности и т.д. Поэтому для точного определения износа покрытия необходимо проведение многочисленных измерений в пределах оцениваемого участка. Периодический контроль степени износа дорожных покрытий является непременным условием своевременного обнаружения дефектов и назначения соответствующих ремонтных работ, позволяющих продлить срок его службы. Толщина изнашиваемого слоя определяется путем сравнения условной отметки поверхности покрытия в момент ее определения с первоначальной отметкой:
Δh = hn-1-hn
hn — отметка поверхности покрытия при последнем измерении, м;
hn-1 — отметка поверхности при предшествующем измерении, м.
По результатам испытания дорожного покрытия на износ можно рассчитать долговечность (срок службы) этого материала по износу в слое покрытия:
Т = h0/ Δhг
h0 — максимальная величина износа слоя покрытии, допускаемая условиями его эксплуатации, см:
Δhг — величина износа покрытия за год, см.
в) Прогнозирование долговечности асфальтобетона при оценке свойств исходного битума. Данный метод учитывает тот факт, что изменение свойств асфальтобетона под воздействием природно-климатических факторов с течением времени обусловлено, главным образом, изменениями свойств битума. Сравнительная оценка влияния на битум различных факторов старения показывает, что доминирующим является термоокислительной старение — окисление происходящее при нагревании битума в присутствии кислорода. Для оценки прогнозирования интенсивности старения битума широко используется метод инфракрасной спектроскопии. Об интенсивности старения битумов обычно свидетельствуют глубокие полосы в области частот 1100, 1340. 1380 см-1 (валентные колебания группы СН3), 1600 см-1 (плоскостные колебания С=С связи в бензольном кольце; их интенсивность указывает на содержание ароматических структур в битумах), 1700 см-1 (валентные колебания карбонильной группы С=О, по их интенсивности можно судить о погодостойкости битумов) и т.д.
г) Прогнозированиедолговечности асфальтобетонапутем определения его износостойкости. Долговечность дорожных покрытий в значительной мере определяется износостойкостью асфальтобетона в покрытии может выражаться в истирании (поверхностный износ), внутреннем износе и шелушении. При правильном подборе состава и соблюдении требований технологии приготовления асфальтобетонных смесей износ покрытия будет определяться главным образом, истиранием его структурных элементов, т.е. в значительной степени адгезией битума с поверхностью минерального материала. Установлено. Что именно износостойкость по истиранию, в основном, определяет срок службы покрытия. Износ асфальтобетона является сложным процессом и не поддается вычислению по формулам. Для описания процессов износа асфальтобетона в взаимосвязи с комплексом воздействующих на него факторов отсутствуют даже приближенные уравнения, поэтому износостойкость рассматривают, как самостоятельную характеристику.