К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА

 

Свинтицких Л.Е., Шабанова Т.Н. (ТюмГАСУ, г.Тюмень, РФ)

 

To a question on increase of stability cracks of a mix of asphalt and concrete.

 

Чтобы найти способы  снижения трещинообразования асфальтобетона, необходимо представить механизм возникновения трещин.

Структура асфальтобетона формируется при взаимодействии многокомпонентных составляющих асфальтобетонной смеси и характеризуется определенными закономерностями. В процессе ее формирования каждому структурному уровню соответствует свой энергетический критерий.

Представим асфальтобетон, находящийся под действием напряжения, созданного вертикальной нагрузкой. Все вертикальные молекулярные связи вдоль любой горизонтальной линии в равной степени противодействуют приложенному напряжению, то есть можно сказать, что напряжение равномерно распределено по такой линии.

Когда в результате локального ослабления (низкая температура, механическое повреждение и т.п.) появляется небольшая трещина, то напряжение, приложенное к покрытию, стремится развести поверхности образовавшейся трещины. Происходит разрыв молекулярных связей  и напряжение, которому они должны были бы противодействовать, смещается к вершине трещины, что приводит к увеличению здесь напряжения. Под действием напряжения молекулярные связи разрываются также и в этой зоне, и трещины распространяются дальше вглубь материала. Когда на материал одновременно воздействует вертикальное и горизонтальное напряжение, то по краям трещины происходит снятие вертикальных напряжений; однако горизонтальные напряжения продолжают действовать и именно они инициируют зарождение боковых трещин.

Картина растрескивания дорожных покрытий усложняется за счет того, что движущиеся автомобили сдвигают образующиеся островки пересечения трещин. Дополнительное напряжение на трещинах создается и при расширении замерзающей в них воды.

Асфальтобетон, находящийся в напряженном состоянии, не будет разрушаться до тех пор, пока энергия его внутримолекулярных связей противодействует напряжению.

В этом аспекте особенно важно оценить возможность торможения роста трещин через дискретную систему демпфирования в структуре асфальтобетона.

Физическая природа затухания упругой энергии неоднозначна. Она может быть вызвана процессами как в результате термоупругой релаксации на границе фаз, так и диффузией жидкой фазы, т.е. ее вязким перемещением в поровом пространстве, инициированным переменным напряжением в асфальтобетоне.

Было предложено использовать демпфирующие добавки для снижения трещинообразования асфальтобетона. Исследовано три группы добавок: 1) структурирующие добавки – известняк, уголь, зола и сера; 2) модифицирующие  - каучук ДСТ 30-01 и 3) демпфирующий наполнитель – вспученный вермикулитовый песок.

Используемые в работе добавки (минеральные и органические) в той или иной степени оказывают влияние на повышение трещиностойкости асфальтобетона, т.е. являются демпферами – веществами – компенсаторами внутренних напряжений, способными тормозить рост трещин.

Структурирующие добавки являются мелкодисперсными с высокой удельной поверхностью материалами. По химическому составу они представлены карбонатными (известняк), углистыми (уголь), основными (зола) и сернистыми соединениями. Несмотря на различие химического состава, большинство наполнителей имеет высокую поверхностную энергию []. Карбоксильные и гидроксильные группы компонентов битумов способны взаимодействовать с поверхностью частиц наполнителя с образованием ковалентных и водородных связей, а также более прочных надмолекулярных структур. Наполнитель, введенный в битум, нарушает однородность его структуры, частично разрушает коагуляционные связи между асфальтенами, смолами и маслами. При этом пористые частицы наполнителя поглощают из битумного вяжущего в основном углеводороды масел. Адсорбированные масла создают вокруг частиц наполнителя пластичные, обладающие малой прочностью при положительных температурах, прослойки. Эти прослойки играют положительную роль при понижении температуры, они остаются деформативно стойкими при достаточно низких температурах. Поэтому наполненные битумные вяжущие при низких температурах намного пластичнее ненаполненных и имеют более низкую температуру хрупкости.

При введении наполнителя в битумной композиции снижается относительное содержание органического вяжущего вещества. Это способствует уменьшению тепловых внутренних напряжений, вызываемых значительным различием в коэффициентах температурного расширения минеральных и органических материалов. Так, если коэффициент объемного расширения битума составляет 0,0008, то у минеральных материалов он равен примерно 0,00001.

Таким образом, температурные деформации в покрытии будут в значительной степени релаксировать.

Высокая степень сопротивления трещинообразованию асфальтобетонов на структурированных битумах может быть объяснена высокой прочностью адгезионных связей между вяжущим и зернами наполнителей и заполнителей.

Деформирование структурированных битумных композиций под действием внешне приложенных усилий можно представить следующим образом. В первый момент приложения нагрузки  в материале возникнут упругие деформации, затем начнут проявляться ограниченные деформации вязкого течения, пропорциональные количеству вязкой фазы и высокоэластические деформации (рисунок 1).

До тех пор, пока не будут закончены деформации вязкого течения, трудно предположить, что в материале могут возникнуть микроразрушения. Если такие микроразрушения и возникнут, то они будут носить сублокальный характер, не определяющий поведение материала под нагрузкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Характерная кривая деформации асфальтобетона на структурированных битумах: а – упругая деформация; в – высокоэластичная деформация; с – органическая деформация вязкого течения.

 

Так как деформации вязкого течения необратимы, то отсюда должно вытекать два следствия:

1) после снятия нагрузки асфальтобетонные образцы могут иметь остаточные деформации, не связанные с процессами микроразрушения;

2) при последующем нагружении при сжатии или изгибе таких образцов будет наблюдаться эффект уплотнения и некоторое упрочнение и при одинаковых повторных нагрузках деформации этих образцов должны быть меньше на величину деформации вязкого течения [].

Введение в битум каучуковой добавки ДСТ 30-01 повышает его упругость и обеспечивает релаксацию возникающих в покрытиях циклических деформаций. Каучуковая добавка отличается низкой температурой стеклования, т.е. сохраняет свои высокоэластические свойства до очень низких температур. В стандартах на эти материалы величина упругости полимербитумных вяжущих характеризуется  показателем эластичности. В действительности этот показатель отражает степень обратной релаксации материала после разрыва при растяжимости. Степень эластичности зависит от химического состава вяжущего и его структуры.

Для обеспечения высокой нагрузочной циклостойкости достаточно, чтобы величина этого параметра не менее, чем в 3-4 раза превышала величины возможных эксплуатационных деформаций вяжущего в конкретных конструкциях. Битумоминеральное вяжущее на основе ДСТ 30-01 сохраняет высокие эластичные свойства при низких температурах.

Это объясняется тем, что частички каучука упрочняют битум, придавая ему способность более эффективно поглощать энергию при разрушении. Тем самым значительно повышается стойкость к распространению трещин.

Однако, по оценкам специалистов использование каучуковой добавки примерно в 3 раза удорожает стоимость битума. Кроме того, нестабильность состава и свойств битума требует разработки рецепта композиции для каждого битума.

Механизм действия вспученного вермикулита на повышение трещиностойкости асфальтобетона отличается от рассмотренных ранее структурирующих добавок и каучука.

Вспученный вермикулитовый песок выполняет две функции в составе битумной композиции. Во-первых, его можно считать армирующим компонентом, а, во-вторых, благодаря своему строению, он способствует процессу гашения роста трещин.

На рисунке 2 приведена схема и модель работы вспученного вермикулита в составе битумного вяжущего и асфальтобетона.

Рисунок 2 - Модель (а) и схема (б) работы вспученного вермикулита в асфальтобетоне

 

Демпфирующие свойства вспученного вермикулита дополнительно повышают упругие свойства композиции, увеличивая способность сопротивляться пластичным деформациям в летнее время. В условиях отрицательных температур в композиции возникают растягивающие напряжения, вызванные температурным сжатием. Наличие защемленного воздуха между слоями вспученного вермикулита обуславливает медленное и равномерное охлаждение и снижает возможность возникновения трещин. Внутренние напряжения в композиции снижаются, повышается однородность их распределения в структуре материала за счет поглощения части механической энергии демпфирующим компонентом.

Результаты исследований показали, что применение добавок различной природы позволяет получать битумные композиции, обеспечивающие повышенную трещиностойкость и теплостойкость как самих композиций, так и асфальтобетона.

Сопоставление всей гаммы свойств (физико-механических, технологических, экологических) исходных материалов и полученных вяжущих и асфальтобетона, а также на основе результатов опытной эксплуатации следует признать, что наибольший эффект дает применение вспученного вермикулита. Он может структурировать любые битумы, дает экономию последних, не требует применения ПАВ и специальных модифицирующих агентов, экологически безопасен, дешев.