Процессы старения асфальтобетона, его долговечность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

  1. Введение……………………………………………………3
  2. Глава 1. Выбор вида, типа и марки асфальтобетона……4
  3. Глава 2. Оценка качества исходных материалов………10
  4. 2.1. Крупный заполнитель (щебень)…………………….10
  5. 2.2. Мелкий заполнитель (песок)………………………..11
  6. 2.3. Минеральный порошок……………………………...13
  7. 2.4. Битум………………………………………………….14
  8. 2.4.1. Методы испытания битумов…..…………………..16
  9. 2.4.2. Применение и требования к качеству…………….21
  10. 2.4.3. Основные физические и химические свойства,

состав и строение…………………………………………22

  1. Глава 3. Процессы старения асфальтобетона,

его долговечность………………………………………....27

  1. Выводы…………………………………………………….38
  2. Приложения………………………………………………..39
  3. Список литературы………………………………………..43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Автомобильные дороги занимают важное место в развитии экономики  любой страны.

С середины 20 века наибольшее распространение на автомобильных  дорогах получили асфальтобетонные покрытия.

Асфальтобетон - строительный материал в виде уплотнённой смеси щебня, песка, минерального порошка и битума. Перед смешением составные части высушивают и нагревают до температуры 100-160°С. Различают следующие виды асфальтобетона: горячий, содержащий вязкий битум, укладываемый и уплотняемый при температуре не ниже 120°C; тёплый - с маловязким битумом и температурой уплотнения 40-80°C; холодный - с жидким битумом, уплотняемый при температуре окружающего воздуха, но не ниже 10°C.

 Асфальтобетон может  быть крупно, средне, мелкозернистым  и песчаным (наибольшая крупность  зёрен, соответственно, 40-25-15-5 мм). Он  применяется для покрытий дорог,  аэродромов, эксплуатируемых плоских  кровель, в гидротехническом строительстве.  В зависимости от нагрузок  и климатических условий к  асфальтобетону предъявляются соответствующие  требования по плотности, прочности,  сдвигоустойчивости, водостойкости. Для приготовления используют фракционированные минеральные материалы и битумы, качества которых регламентируются государственными стандартами.

 

 

 

 

Глава 1. Выбор вида, типа и марки асфальтобетона

Выбор вида, типа и марки  асфальтобетона необходимо выполнять  в соответствии с требованиями ГОСТ 9128 – 97

Основные параметры и  показатели:

1. В зависимости от  вида минеральной составляющей  подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

2.Смеси в зависимости  от вязкости используемого битума  и температуры при укладке подразделяют на:

- горячие, приготавливаемые  с использованием вязких и  жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее 120 °С;

- холодные, приготавливаемые  с использованием жидких нефтяных  дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее 5 °С.

3. Горячие и холодные  смеси-асфальтобетоны

а) Горячие смеси и асфальтобетоны в зависимости от наибольшего размера минеральных зерен подразделяют на:

крупнозернистые с размером зерен  до 40 мм;

мелкозернистые  »  »  »  до 20 мм;

песчаные  »  »  »  до 5 мм.

 Асфальтобетоны из  горячих смесей в зависимости  от величины остаточной пористости  подразделяют на виды:

высокоплотные  с остаточной пористостью  от 1,0 до 2,5 %;

плотные  »  »  »  св. 2,5 до 5,0 %;

пористые  »  »  »  св. 5,0 до 10,0 %;

высокопористые »  »  »  св. 10,0 до 18,0 %.

б) Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

 Асфальтобетоны из  горячих смесей в зависимости  от величины остаточной пористости  подразделяют на виды:

высокоплотные  с остаточной пористостью  от 1,0 до 2,5 %;

плотные  »  »  »  св. 2,5 до 5,0 %;

пористые  »  »  »  св. 5,0 до 10,0 %;

высокопористые »  »  »  св. 10,0 до 18,0 %.

Асфальтобетоны из холодных смесей должны иметь остаточную пористость свыше 6,0 до 10,0 %.

4. Щебеночные и гравийные горячие смеси и плотные асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы:

А  с содержанием щебня  св. 50 до 60 %;

Б »  »  »  св. 40 до 50 %;

В »  »  »  св. 30 до 40 %.

Щебеночные и гравийные  холодные смеси и соответствующие  им асфальтобетоны в зависимости  от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы Бх и Вх.

Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

Д и Дх - на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

Высокоплотные горячие смеси  и соответствующие им асфальтобетоны содержат щебень свыше 50 до 70 % Горячие  и холодные песчаные смеси и соответствующие  им асфальтобетоны в зависимости  от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

Д и Дх - на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

Высокоплотные горячие смеси  и соответствующие им асфальтобетоны содержат щебень свыше 50 до 70 %.

Проектирование асфальтобетона:

Анализ условий работы проектируемого асфальтобетона в конструкции (транспортные нагрузки, максимальные уклоны, геолого-климатические условия);

Выбор способа производства работ в зависимости от погодно-климатических  условий и района строительства;

Выбор исходных материалов;

Расчёт состава асфальтобетона:

а) расчёт состава минеральной  части по кривым плотных смесей:

цель - получить минеральный  состав с минимальным количеством  пустот.

Составы могут быть непрерывные  и прерывистые.

б) определение оптимального количества битума:

определяем опытным путём:

· готовят смеси с разным количеством битума

щебень и песок нагревают  до 150 - 170°С,

битум до 130 - 150°С,

смесь до 140 - 160°С.

· уплотняют при давлении 40 МПа.

Приготовление и испытание  контрольной смеси:

определяют физико-механические показатели и сравнивают с требованием  ГОСТ.

Технические требования к  дорожному асфальтобетону из горячих, плотных смесей:

В зависимости от качественных показателей а/б разделяют на три сорта (марки):

Предел прочности при  сжатии:

· при 20°С Þ R20, МПа

· при 50°С Þ R50, Мпа - характеризует здвигоустойчивость

· при 0°С Þ R0, Мпа - характеризует хрупкость;

  1. Коэффициент водостойкости:

Кв = Rв/R20, где Rв - предел прочности водонасыщенного образца;

  1. Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении:

Квд = Rвд, где Rвд - прочность образца после насыщения, в течение 15суток;

4. Водонасыщение по объёму, % [1 ¸ 4]%;

  1. Пористость минерального остова:

· для типов А и Б не более 19%

· для типов В, Г, Д не более 22%

  1. Остаточная пористость, % по объёму [2 ¸ 5]% - для плотных а/б.

Этапы формирования структуры асфальтобетона:

  1. Период активного структурообразования протекает в момент объединения битума с минеральным материалом.
  2. Сближение структурных элементов смеси при её укладке и уплотнения.
  3. Период стабилизации микроструктурных связей в асфальтобетоне при эксплуатации покрытия.
  4. Повышение вязкости битума при охлаждении.
  5. Повышение вязкости битума за счёт улетучивания лёгкого углеводорода, за счёт стабилизации ориентированных молекул битума или при появлении новообразования в зоне контакта.

Доуплотнение под действием транспорта.

На стадии разработки проекта  автомобильной дороги выбирают асфальтобетон  определенной разновидности, конкретно  для каждого конструктивного  слоя дорожной одежды.

В верхних слоях покрытий на дорогах всех категорий используют только плотный асфальтобетон.

Нижние слои покрытий на дорогах I – II категорий устраивают из пористого асфальтобетона, а на дорогах III – IV категорий – из высокопористого асфальтобетона.

В верхних слоях оснований  можно использовать как пористый, так и высокопористый асфальтобетоны.

При стадийном строительстве  нижний слой покрытий устраивают, как  правило, из плотного крупнозернистого асфальтобетона. Вид и тип плотного асфальтобетона для верхних слоев покрытий назначают в зависимости от

категории дороги и климатических  условий района строительства. Приложение 1 

Глава 2. Оценка качества исходных материалов

2.1. Крупный заполнитель (щебень)

 

          Для приготовления щебня используют прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также прочные и морозостойкие медленно охлаждённые металлургические шлаки.

Прочность при сжатии горных пород  должна быть не менее 100…120 МПа, а осадочных  карбонатных пород металлургических шлаков - не менее 80…100 МПа.

Показатель прочности при износе в полочном барабане для щебня  из горных пород не более25…35%, а для  шлаков - не более 35%. Марки по износу бывают: И1, И2, И3, И4.

Щебень для асфальтобетонных смесей должен быть чистым, (по ГОСТ 8267 п.4.71 таблица 9) не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 1%.(т.к. в соответствии с ГОСТ 25100 щебень гранитный является магматической породой) Форма зёрен щебня должна быть приближена к тетраэдальной и кубовидной, а поверхность к - шероховатой, что повышает внутреннее трение и прилипание вяжущего. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в щебне и гравии должно быть, % по массе, не более:

15 - для смесей типа А и высокоплотных;

25 - для смесей типов Б, Бх;

35 - для смесей типов В, Вх.

 Щебень для а/б смесей  должен выдерживать без разрушения  не менее 50 циклов переменного  замораживания и оттаивания, а  для нижнего слоя покрытия - не  менее 25 циклов. Отсюда марки морозостойкости:  F20, F25, F50.

Исходные данные:

· Щебень гранитный

    • плотность - 2,7г/смі
    • марка по прочности при раздавливании в цилиндре - 1000
    • марка по износу в полочном барабане – ИII
    • марка по морозостойкости –F100
    • зерновой состав: Приложение 2
    • содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы, %

фр. 5 - 10 мм – 16%

фр. 10 - 20 мм – 14%

 

Содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы = (16*41+14*51)/(41+51)=14,89%(<25%).

 

2.2. Мелкий заполнитель (песок)

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют природные и  дроблёные пески, и отсевы продуктов  дробления горных пород и гравия. Песок должен быть чистым и содержать  пылевато-глинистых частиц не более 3% по массе.

Природный песок - неорганический сыпучий материал с крупностью до 5 мм, образовавшийся в результате естественного  разрушения скальных горных пород и  получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений  без использования специального обогатительного оборудования.

Дроблёный песок получают дроблением скальных пород или кристаллических  металлургических шлаков. В зависимости  от прочности исходной горной породы дроблёный песок делят на две  марки: 800 и 400. Для первой из них применяют  горные породы с прочностью при сжатии не ниже 80 МПа, а второй - не ниже 40 МПа.

Песок из отсевов дробления - неорганический сыпучий материал с крупностью до 5 мм, получаемый из отсевов дробления горных пород  при производстве щебня и из отходов  обогащения руд черных и цветных  металлов и металлических ископаемых и других отраслях промышленности.

Гранулометрический состав песка должен обеспечивать получение  смеси с другими минеральными материалами с наибольшей плотностью. Из этих соображений для приготовления  асфальтобетона применяют крупно и  среднезернистые пески.

Исходные данные:

· Песок кварцевый

    • плотность - 2,62 г/смі
    • содержание загрязняющих примесей – 1,5 %
    • зерновой состав: Приложение 3

модуль крупности песка (Мк) без зерен размером крупнее 5 мм по формуле

 

 

 

где А2,5, А1,25, А063, А0315, А016 - полные остатки на сите с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм и на ситах с сетками № 1,25; 063; 0315, 016, %.

 

Мк=(20+40+60+85+98)/100=3,0.

 

 

2.3. Минеральный порошок

Минеральный порошок получают помолом известняков, доломитов  и других карбонатных пород с  прочностью не менее 20МПа и содержанием  загрязняющих и глинистых примесей не более 5%.

В ряде случаев, в качестве минерального порошка применяют  порошкообразные отходы промышленности – пыль уноса цементных заводов, золы ТЭЦ.

Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но увеличивает  его хрупкость, поэтому содержание минерального порошка в смеси  должно быть минимальным, достаточным  лишь для придания а/б нормативной прочности и плотности.

Функции минерального порошка:

  • заполняет пустоты песчано-щебёночного каркаса и повышает плотность минеральной части;
  • превращает нефтяной битум в асфальтовое вяжущее.

Для минеральных порошков существует ГОСТ 52129 – 2003 «Порошки», по которому классифицируют минеральные порошки:

МП – 1 – порошки из карбонатных  пород не активированные и активизированные, и из битуменозных пород;

МП – 2 – порошки из некарбонатных  пород, твёрдых и порошкообразных  пород промышленного производства.

Технические требования:

 · Тонкость помола должна быть такой, чтобы при мокром рассеве проходила через сито 1,25 – 100%;

0,315 – 90 ¸ 95%;

0,071 – 70¸80%;

· Пористость не более 35%;

· Набухание образцов из смеси порошка с битумом не более 2,5%;

· Влажность не более 1%.

Эти требования только для МП – 1.

Исходные данные:

· Минеральный порошок известняковый

  • пористость – 25%
  • плотность – 2.6 г/смі
  • влажность – 0,5 %
  • зерновой состав: Приложение 4, 5

[1]

2.4. Битум

Битумы - искусственные и природные  асфальтоподобные продукты, получаемые переработкой природных битумов, остатков от перегонки нефти, каменноугольной и сланцевой смол, а так же экстракты, извлекаемые органическими растворителями из торфа, бурого угля.

Битумы используются в строительстве, как кровельные, изоляционные и дорожные материалы. Находят применения битумы также в электротехнической и  литейной промышленности.

Природные битумы — это составная  часть горючих ископаемых. К ним  относятся естественные производные  нефти, образующиеся при нарушении  консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления, например асфальты, кериты, мальты, озокериты и др. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески).

Искусственные (технические) битумы —  это остаточные продукты переработки  нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами.

Битумы применялись в качестве строительного материала еще  в глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала.

Органические вяжущие вещества делят на две основные группы: битумные и дегтевые.

К битумным материалам относятся следующие:

Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие  из смеси углеводов и их неметаллических  производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в  местах нефтяных месторождений, образуя  линзы, а иногда и асфальтовые  озера. Однако природные битумы в  чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы.

Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, в  зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего  глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в  специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

Гудрон — остаток после отгонки  из мазута масляных фракций;

он является основным сырьем для  получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве.

К дегтевым материалам относят различные  виды дегтя и пеки.

Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском  строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.

Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья. Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов осуществляется на полностью механизированных поточных линиях непрерывного действия.

 

2.4.1. Методы испытания битумов

 

Для классификации товарных битумов  по сортам в зависимости от их качества разработаны и применяются различные  методы испытания. Эти методы утверждены стандартами разных стран.

 

Целью общепринятых методов испытания  качества битумов является определение  их консистенции, чистоты и теплостойкости. Для определения консистенции предложено много методов, позволяющих установить ее зависимость от вязкости. Битумы характеризуют и сравнивают по степени  текучести при определенной температуре  или по температуре определения  некоторых свойств.

 

К таким показателям, характеризующим  свойства твердых битумов, относятся  глубина проникания стандартной  иглы (пенетрация), температура размягчения, растяжимость в нить (дуктильность), температура хрупкости. Эти исследования, строго говоря, не эквивалентны прямому определению вязкости, но находят широкое практическое применение, потому что позволяют быстро характеризовать консистенцию битума. К основным показателям, характеризующим свойства битумов, можно также отнести адгезию, поверхностное натяжение на границе раздела фаз, когезию, тепловые, оптические и диэлектрические свойства. К числу сопоставимых показателей, кроме того, можно отнести потерю массы при нагревании и изменение пенетрации после него, растворимость в органических растворителях, зольность, температуру вспышки, плотность, реологические свойства.

 

Некоторые показатели определяют как  для исходного битума, так и  для битума после прогрева, который  имитирует процесс старения. Стандартами  задаются определённые значения показателей  качества, что отражает оптимальный  состав битума. Этот состав может быть различным для разных областей применения битумов.

 

 Пенетрация

Пенетрация — показатель, характеризующий глубину проникания тела стандартной формы в полужидкие и полутвердые продукты при определенном режиме, обусловливающем способность этого тела проникать в продукт, а продукта — оказывать сопротивление этому прониканию. Пенетрацию определяют пенетрометром, устройство которого и методика испытания даны в ГОСТ 11501—78; за единицу пенетрации принята глубина проникания иглы на 0,1 мм. Пенетрация дорожных нефтяных битумов различных марок при 25 °С, нагрузке 100 Г, в течение 5 сек составляет 40—300*0,1 мм, а при 0 °С, нагрузке 200 Г, в течение 60 сек— от 13 до 50*0,1 мм. Таким образом, в зависимости от температуры, нагрузки и длительности проникания иглы значение пенетрации существенно изменяется. Поэтому условия ее определения заранее оговаривают. Пенетрация косвенно характеризует степень твердости битумов. Чем выше пенетрация битума при заданной температуре размягчения и при заданной пенетрации — температура размягчения битума, тем выше его теплостойкость. Получить битумы с высокой теплостойкостью можно соответствующим подбором сырья, технологического способа и режима производства.

 

 Температура размягчения

Температура размягчения битумов  — это температура, при которой  битумы из относительно твердого состояния  переходят в жидкое. Методика определения температуры размягчения условна и научно не обоснована, но широко применяется на практике. Испытание проводят по ГОСТ 11506—73 методом «кольцо и шар» (КиШ), а также иногда методом Кремер — Сарнова.

Индекс пенетрации — показатель, характеризующий степень коллоидности битума или отклонение его состояния от чисто вязкостного. По индексу пенетрации битумы делят на три группы.

1) Битумы с индексом пенетрации менее -2, не имеющие дисперсной

фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены (битумы из крекинг-остатков и пеки из каменноугольных смол). Эластичность таких битумов очень мала или практически равна нулю.

2) Битумы с индексом пенетрации от - 2 до +2 (остаточные и

малоокисленные).

3) Битумы с индексом пенетрации более +2 имеют значительную эластичность и резко выраженные коллоидные свойства гелей. Это окисленные битумы с высокой растяжимостью.

 

 Температура хрупкости

Температура хрупкости — это  температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки. По Фраасу — это температура, при которой модуль упругости битума при длительности загружения 11 сек для всех битумов одинаков и равен 1100 кГ/см2 (1,0787-108 н/м2). Температура хрупкости характеризует поведение битума в дорожном покрытии: чем она ниже, тем выше качество дорожного битума. Окисленные битумы имеют более низкую температуру хрупкости, чем другие битумы той же пенетрации.

 

 Дуктильность

Растяжимость (дуктилъностъ) битума характеризуется расстоянием, на которое его можно вытянуть в нить до разрыва. Этот показатель косвенно характеризует также прилипаемость битума и связан с природой его компонентов. Дорожные нефтяные битумы имеют высокую растяжимость — более 40 см. Повышение растяжимости битумов не всегда соответствует улучшению их свойств. По показателю растяжимости нельзя судить о качестве дорожных битумов, так как условия испытания (растяжение со скоростью 5 см/мин) отличаются от условий работы битума в дорожном покрытии.

Растяжимость битумов при 25 °С имеет максимальное значение, отвечающее их переходу от состояния ньютоновской жидкости к структурированной. Чем больше битум отклоняется от ньютоновского течения, тем меньше его растяжимость при 25°С, но достаточно высока при 0°С. Битум должен обладать повышенной растяжимостью при низких температурах (0 и 15°С) и умеренной при 25°С.

Методика и устройство прибора  для определения растяжимости битумов  приведены в ГОСТ 11505—75.

 

Вязкость

Вязкость битумов более полно  характеризует их консистенцию при  различных температурах применения по сравнению с эмпирическими  показателями, такими, как пенетрация и температура размягчения. Ее легко и в более короткий срок можно измерить при любой требуемой температуре производства и применения битума. Желательно, чтобы битум при прочих равных показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной температуре применения и имел как можно более пологую вязкостно-температурную кривую. При температуре ниже 40 °С битум подобен твердообразным системам, при температурах от 40 до 140 °С — структурированным жидкостям, при температуре выше 140 °С — истинным жидкостям. Битумы ведут себя как истинная жидкость, когда их вязкость понижается до 102— 103пз.

Вязкость битумов определяют в  вискозиметрах Энглера, Сейболта и Фурола, методом падающего шара, в капилляре Фенске, на ротационном вискозиметре, реовискозиметре, консистометре и др. Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.

Процессы старения асфальтобетона, его долговечность