Роль матриці асфальто- і дьогтебетону у формуванні властивостей бетонів

Структура асфальто- і дьогтебетону - багатокомпонентного, полідисперсного, композиційного матеріалу, характеризується кількістю, формою, співвідношенням зерен різної крупності, складом, структурою і властивостями мінеральних складових, складом і властивостями органічного в'яжучого, а також характером взаємодії між в’яжучим і частками мінерального кістяка.

Комплекс факторів, що характеризують структуру бетону на органічному в’яжучому, значною мірою визначає його властивості. У дьогтебетоні і у асфальтобетоні виділяють три структурні частини: макро-, мезо- і мікроструктуру.

Макроструктура визначається кількісним співвідношенням, взаємним розташуванням, крупністю зерен крупного заповнювача, зв'язаних у моноліт асфальтовим (дьогтевим) розчином, а також типом контактів між зернами щебеню. Кількісне співвідношення, розташування і крупність зерен піску, зв'язаних між собою дьогтевя’жучою (асфальтов’яжучою) речовиною, формують мезоструктуру – структуру розчину. Мікроструктура асфальтобетону або дьогтебетону характеризується взаємним розташуванням, кількісним співвідношенням, типом зв'язків між органічними в’яжучими і частками мінерального порошку, а також характером взаємодії на границі розподілу фаз органічне в'яжуче – поверхня мінерального порошку.

У кожній із структурних складових асфальто- і дьогтебетону (підструктурах) є основні структуротвірні елементи: у структурі асфальтов’яжучої, дьогтев’яжучої речовини (мікроструктура) – мінеральний порошок, у структурі розчинної частини (мезоструктура) – частинки піску, а в макроструктурі - щебінь. Структуротвірні елементи (дисперсна фаза) поєднюються в моноліт органічним в’яжучим, що утворює безперервну фазу – матрицю (дисперсійне середовище). Кількісне співвідношення структуротвірних елементів є найбільш важливою при однаковому характері поверхневих фізико-хімічних взаємодій ознакою структури, тому що від цього залежить якісне утворення різних структур.

Аналіз взаємозв'язку кількісних співвідношень між матрицею і структуротвірними компонентами, структурою і властивостями підструктур і структури асфальто- і дьогтебетону показує, що для кожної з цих систем на залежності міцності структури від вмісту структуротвірних елементів може бути виділено три характерних ділянки (рис. 11.1).

I – ділянка, що відповідає структуроутворюючій концентрації, де існує лінійна залежність між властивостями системи і концентрації структуротвірного елемента.

, де η і η₀ – відповідно, в'язкість до і після введення, наприклад, МП; φ – об'ємна частка МП в асфальто-, дьогтев'яжучій речовині (тут МП – мінеральний порошок).

II – ділянка формування оптимальних структур;

III – ділянка зменшення міцності структур унаслідок того, що властивості асфальто-, дьогтебетону визначаються властивостями органічного в'яжучого, яке знаходиться у вільному стані.

Рис.11.1. Залежність міцності системи R від вмісту структуроутворюючих компонентів C: 1– мікроструктура; 2 – мезоструктура; 3 – макроструктура І – базальна структура; ІІ – порова структура; ІІІ – контактна структура. (І, ІІ, ІІІ – наведено для формування структури асфальтов’яжучої (дьогтев’яжучої) речовини

 

Між різними підструктурами у бетонах на органічних в’яжучих існує взаємозв'язок. Кожному типові макроструктури відповідають визначені типи мезо- і мікроструктури (рис. 11.2).

 

Макроструктура		Мезоструктура		Мікроструктура
Базальна, щебеню < 35%		Контактно-порова, піску > 40 %		Порова, мінерального порошку > 15 %
Базально-порова, щебеню 35-50 %		Порова і порово-базальна, піску 30-40%		Порово-базальна, мінерального порошку 10-15 %
Порова, щебеню 50-60 %		Базальна, піску< 30 %		Базальна, мінерального порошку < 10%
Порово-контактна, щебеню 60-65 %
Контактна, щебеню > 65 %		Базальна, піску 10-15 %		Базальна, мінерального порошку 0 %

Рис. 11.2. Взаємозалежність підструктур у асфальтобетоні

 

У зв’язку з тим, що структура дьогтебетону (асфальтобетону) формується з щебеню, піску, мінерального порошку і дьогтю (бітуму), то доцільно виконати аналіз специфічних особливостей і потенційних властивостей цих матеріалів як компонентів, що беруть участь у структуроутворенні дьогтебетону (асфальтобетону) методом ієрархії опису технічних об'єктів, здійснивши фізичний аналіз дьогтебетону (асфальтобетону). З цією метою виконано поділ, наприклад, дьогтебетону до неподільних (у функціональному змісті) елементів. Одночасно виділені об'єкти навколишнього середовища, з якими бетон знаходиться у функціональній взаємодії. Функціональний аналіз дьогтебетону (асфальтобетону) наведений у табл. 11.1.

 

Таблиця 11.1

Аналіз функцій дьогтебетону (асфальтобетону), що знаходиться в
покритті автомобільної дороги. Функція дьогтебетону (асфальтобетону) – протистояти транспортному навантаженню і кліматичним факторам

 

Елемент	Функція
позначення	найменування	позначення	опис
Е1	Щебінь	Ф1	Виконує в дьогтебетоні (асфальтобетоні) роль високоміцного структуроутворючого компонента, що заповнює найбільший об’єм бетону.
Е2	Пісок	Ф2	Заповнює основний об’єм порожнеч, що залишилися в щебеневому каркасі. Підвищує легкоукладальність дьогтебетонної (асфальтобетонної) суміші (сприяє зміні тертя ковзання на тертя катання). Знижує напруження в моноліті при ущільненні суміші.
Е3	Мінеральний порошок	Ф3	Структурує кам'яновугільне (бітумне) в'яжуче. Збільшує поверхню контактування між зернами піску і щебеню. Зменшує теплове розширення дьогтю (бітуму) і ковзання при гальмуванні транспорту. Підвищує адгезійні і механічні властивості органічного в’яжучого. Збільшує щільність мінеральної суміші і бетону.
Е4	Кам'яновугільний дьоготь (нафтовий дорожній бітум)	Ф4	Формує безперервну матрицю в дьогтебетоні (асфальтобетоні). Виконує роль в'яжучої речовини; додає гідрофобність бетонові; забезпечує хімічну стійкість дьогтебетону (асфальтобетону).
Е1×Е2	Суміш піску і щебеню	Ф1×Ф2	Забезпечує заповнення обсягу моноліту. Сприймає механічні і теплові напруження в покритті з наступною передачею їх основі або іншому конструктивному шарові
Е3×Е4	Бінарна суміш мінерального порошку і кам'яновугільного дьогтю (нафтового дорожнього бітуму)	Ф3×Ф4	Формує структуровану безперервну матрицю в дьогтебетоні (асфальтобетоні). Підвищує щільність, водостійкість, морозостійкість і міцність дьогтебетону (асфальтобетону) в області високих позитивних температур.
Е1×Е2×Е3×Е4 Співвідношення між елементами - внутрішніми факторами, повинне бути оптимальним	Дьогтебетон (асфальтобетон) – композиційний матеріал, одержуваний ущільненням (Ку > 0,99), перемішаної до однорідного стану (коефіцієнт варіації вмісту ключового компонента Vci < 7%) при оптимальній температурі суміші дьогтю (бітуму), щебеню, піску і мінерального порошку	Ф1×Ф2×Ф3×Ф4	Забезпечує зсувостійкість (V1), знос (V2), тріщиностійкість (V3), водостійкість (V4), морозостійкість (V5), стабільність верхнього шару покриттів автомобільних доріг (V6, V7).

 

 

Отримання асфальтобетону (дьогтебетону) з заданою структурою і властивостями досягається встановленням кількісних співвідношень між мікро-, мезо- і макроструктурами. При цьому необхідно пам’ятати, що даній макроструктурі відповідають тільки відповідні мікро-, мезо- і макроструктури (рис. 11.2). Так, найбільш високі показники міцності асфальтобетону з базальною макроструктурою (щебеню < 35 % ) досягається при контактно-поровій мезоструктурі (піску > 40%) і поровій мікроструктурі (мінерального порошку > 15%). Найкращі показники асфальтобетону з поровою макроструктурою (щебеню 50-60%) досягаються при порово-базальній мезоструктурі (піску 30- 40% і з базальною мікроструктурою (мінерального порошку <10%), а з контактною макроструктурою (щебеню > 65% ) при базальній мезоструктурі (піску < 30 %) і базальній мікроструктурі (мінерального порошку < 5%). Відношення бітуму до мінерального порошку у асфальтобетоні з базальною мікроструктурою повинні бути в межах 05-0,6 з базально-поровою – 0,6...0,9, з поровою і порово-контактною – 0,9...1,1.

На рис. 11.3. приведено конструктивно- функціональну структуру дьогтебетону (асфальтобетону), що представлена орієнтованим графом, вершинами якого є елементи дьогтебетону та об'єкти навколишнього середовища, а ребра – функції елементів: V₁ – зсувові напруги від дії транспортного навантаження; V₂ – стираючи дії від транспортного навантаження;
V₃ – низькотемпературні впливи; V₄ – водний фактор; V₅ – поперемінне заморожування – відтавання; V₆ – газовий (повітряний фактор і температура); V₇ – сонячна радіація.

Як випливає з аналізу конструктивно-функціональної структури дьогтебетону (асфальтобетону) (рис. 11.3), найбільший внесок у структурно-механічні властивості дьогтебетону вносить дьогтев’яжуча (асфальтов’яжуча) речовина.

Це обумовлено тим, що в процесі приготування, наприклад, дьогтебетонних сумішей на поверхні мінеральних зерен формуються структуровані адсорбційно-сольватні шари кам'яновугільного в'яжучого, властивості яких, у першу чергу, адгезія, когезія, в'язкість, пластичність змінюються в міру видалення від поверхні мінеральних часток і залежать від хіміко-мінералогічного складу поверхневих шарів мінеральних часток, текстури мінеральних компонентів і в'язкості дьогтю.

Взаємодія органічних в’яжучих з мінеральними компонентами асфальто- і дьогтебетонних сумішей є визначаючим фактором у отриманні бетону з визначеними властивостями. При цьому під взаємодією бітуму і мінеральних матеріалів розуміють весь комплекс процесів, що виникають при тривалому контакті цих матеріалів. До них відносять фізичні процеси, що виникають на межі розділу фаз “бітум-мінеральний матеріал”, хемосорбційні процеси; фільтрацію бітуму і його компонентів у пори і капіляри мінеральних матеріалів.

 

 

 

 

Рис. 11.3. Конструктивно-функціональна схема дьогтебетону (асфальтобетону)

 

 

При фізичній сорбції на поверхні мінеральних матеріалів асфальтобетону (дьогтебетону) формуються адсорбційні шари з підвищеною концентрацією високомолекулярних речовин органічного в’яжучого. Бітум (дьоготь) під дією міжмолекулярної взаємодії перетерплює структурні зміни. Високомолекулярні компоненту бітуму (дьогтю), проявляють естафетну дію і утворюють ланцюги, що перпендикулярні до поверхні мінеральних зерен. Міцність зв’язків ланок ланцюга по мірі віддалення від зерна падає і на відстані декілька мікрометрів практично рівна когезії об’ємного бітуму.

В орієнтованому шарі бітуму виділяють три зони з характерними структурою і фізико-хімічними властивостями: твердоподібну, структуровану, дифузійну (рис. 11.4).

 

 

Рис. 11.4. Будова плівки бітуму на поверхні мінеральної частини: І – орієнтований шар; II – об’ємний бітум; 1а – твердоподібна прикордонна зона; 1б – структурована фаза; 1в – дифузійна зона

Твердоподібна зона граничить з поверхнею мінерального матеріалу і являє собою адсорбційний шар, що максимально насичений асфальтенами. Мінеральні зерна, що покриті плівкою, між собою не злипаються, так як плівка не має клейкої спроможності. Товщина твердоподібної зони на мінеральних зернах не перевищує долі мікрометра.

Структурована зона складається з упоряджено розташованих високомолекулярних компонентів бітуму, що орієнтовані до мінерального зерна. Товщина зони не перевищує 1…2 мкм.

Дифузійна зона представлена слабим упоряджуванням високомолекулярної складової бітуму, що переходить в об’ємний бітум.

Різкого переходу між орієнтованим шаром і об’ємним бітумом, а також усередині шару між зонами нема. Залежно від природи і розміру зерен, а також від вмісту у бітумі асфальтенів розмір орієнтованого шару змінюється від частинки мікрометрів до декількох мікрометрів. У міру наближення до поверхні мінеральних матеріалів у зв’язаному шарі збільшується кількість асфальтенів. Таким чином, при повному переводі бітуму (дьогтю) у асфальтобетоні із об’ємного в орієнтований стан досягається найвища міцність системи. Тому асфальтов’яжуча (дьогтев’яжуча) речовина, в якій товщина плівки менше 1 мкм, характеризується значно більшою міцністю, ніж асфальтовий розчин і тим більш асфальтобетон (рис. 11.1). Необхідно прагнути до того, щоб окремі мінеральні зерна стикалися між собою по шару орієнтованого бітуму.

Між вапняком і бітумом, який утримує асфальтогенові і карбонові кислоти, відбувається реакція з утворенням кальцієвих мил (у присутності вологи):

 

CaCO₃ + 2RCOOH = Ca(RCOO)₂ + H₂O +CO₂ (11.1)

Так як ці сполуки нерозчинні у воді, бітумні плівки, що утворені на поверхні вапнякових мінеральних частинок, стійкі до дії води.

 

При з’єднанні бітуму з кислими мінеральними матеріалами, що багаті кремнеземом (граніт, піщаник і ін.), у бітум вводять катіоноактивні ПАР (RNH₂). Тільки в цьому випадку можливо утворення хімічних сполук (11.2)

 

SiO₂ + Н₂О = Н₂SiO₂ – кремнієва кислота (КК)

RNH₂ + Н₂О = (RNH₃) ОН – азотиста основа (АО)

Н₂SiO₂ + (RNH₃) ОН = (RNH₃)SiO₃ + 2Н₂О – сіль КК і АО (11.2)

SiO₂ + 2RNH₂ + Н₂О = (RNH₃)SiO₃

 

Катіоноактивні ПАР поліпшують зчеплення бітуму не тільки з гірськими породами, що багаті кремнеземом, але й з карбонатними. У вапняку завжди є домішки кремнезему, які створюють негативно заряджені центри на поверхні часток. Взаємодія катіоноактивного ПАР з вапняком йде по цих центрах.

По мікропорах усередину зерен фільтруються компоненти бітуму. Наявність мікропор на поверхні зерен приводить до вибірної дифузії компонентів бітуму, яка полягає у наступному. Найбільш рухливий компонент бітуму – масла – проникають по капілярах усередину зерен на найбільшу глибину. Смоли через меншу рухливість і більшу активність проникають у зерна на меншу глибину. Поверхневий шар бітуму на таких зернах збагачений асфальтенами. Взаємодія пористих матеріалів з бітумом (дьогтем) приводить до того, що бітумні плівки стають більш жорсткими і менш еластичними, що прискорює перехід асфальтобетону в крихке становище. При використанні таких мінеральних матеріалів в’язкість бітумів (дьогтів) може бути менше на 10-15%, ніж бітумів (дьогтів), що використовуються у бетонах, мінеральний кістяк яких складається із щільних матеріалів.

Дюр’є встановлена залежність міцності асфальтобетону при стиску (розтяганні) від пенетрації і температури розм'якшеності бітуму:

(11.3)

(11.4)

де: R – міцність бетону; l – глибина проникності голки пенетрометра;
Q – температура розм'якшеності бітуму; A, λ, μ – константи, що залежать від типу асфальтобетону.

М.М. Івановим і М.Я.Телєгіним показано, що зміна деформаційно-міцнісних характеристик асфальтобетонів є кінетичним процесом, який обумовлений релаксацією плівок органічного в'яжучого на поверхні мінеральних зерен:

(11.5)

де: R_i і R_к – гранична міцність, визначена відповідно при швидкості V₁ і V_к; m - коефіцієнт пластичності; якщо m < 0,1, то асфальтобетон непластичний; якщо m = 0,11-0,24, то асфальтобетон середньої пластичності; якщо m > 0,24 – асфальтобетон – пластичний матеріал.

І.О. Риб’євим визначено, що чим вище адгезійно-когезійні властивості органічного в'яжучого і чим у більшій мірі структурований його адсорбційно-сольватний шар на поверхні мінеральних зерен, тим вище міцність бетону.

(11.6)

де: R – міцність бетону; R^* – міцність асфальтов’яжучої речовини оптимального складу; d і d^* – товщина плівки бітуму, відповідно, асфальтов’яжучої речовини асфальтобетону оптимального складу і асфальтов’яжучої речовини даного бетону; n – показник ступеня, що залежить від складу бітуму, мінеральних матеріалів і інтенсивності процесів взаємодії між ними.

В.О. Золотарьов, розвиваючи закон міцності оптимальних структур композиційних матеріалів з коагуляційним типом контактів, одержав аналітичну залежність міцності асфальтобетону у в’язкопружному стані, з якого випливає, що міцність асфальтобетону визначається в'язкістю і когезією органічного в'яжучого, ступенем його структурованості поверхнею мінеральних часток і рівнем розвитку каркасу мінеральних часток:

(11.7)

 

де: R_a, R_СТР – межа міцності відповідно асфальтобетону та асфальтов’яжучої речовини на початку структоутворення; δ_СТР, δ_СР – відповідно товщина плівки бітуму, що відповідає початковій ділянці структуроутворення на концентраційній кривій міцності асфальтов’яжучого і товщина плівки у асфальтобетоні фактичного складу; К_ущ – коефіцієнт, що характеризує зменшення товщини плівки при ущільненні; n – коефіцієнт, що характеризує інтенсивність структурування бітуму мінеральною поверхнею; К_пов – коефіцієнт розвитку поверхні, що характеризує внесок мінерального кістяка у розвиток сумарної поверхні руйнування.

Іноземні дослідники також вважають, що саме мікроструктура асфальто- і дьогтебетонів визначає реологічне поводження і довговічність композиційних матеріалів на органічних в’яжучих.

Таким чином, отримані залежності свідчать про те, що у випадку безперервності матриці бетонів на органічних в'яжучих, що є одним із критеріїв оптимальності структури такого матеріалу, фізичні властивості і
довговічність таких бетонів визначаються, у першу чергу, властивостями мікроструктури. Отже, у композиційних матеріалах, що твердіють при
зниженні температури, органічне в'яжуче є єдиною релаксуючою складовою, яка визначає реологічне поводження бетонів і фізичний стан – від скло подібного до в’язко-плинного через в’язкопружний при зміні температури.

Доказом коагуляційних типів контактів у бетонах на органічних в’яжучих є S-подібний характер залежності модуля пружності дьогтебетону (асфальтобетону) від температури. Для нього властива степенева залежність від частоти деформування. Залежно від рівня діючого напруження бетон з матрицею, що представлена дьогтев’яжучою (асфальтов’яжучою) речовиною, проходить області лінійного, нелінійного деформування або руйнується.

Таким чином, структура асфальто-, дьогтебетону розглядається на двох рівнях: макро- і мікро. На макрорівні це структура мінерального кістяка. На мікрорівні ж це структура асфальто-, дьогтев’яжучої речовини. Найважливішою складовою обох підструктур є контактна зона – зона взаємодії органічного в'яжучого з поверхнею мінеральних матеріалів. Це обумовлено тим, що в щільних бетонах контакти між частинками мінеральних матеріалів представлені в різній мірі структурованим органічним в'яжучим. Саме адгезійно-когезійні і еластичні властивості адсорбційно-сольватних шарів органічного в'яжучого і визначають значною мірою фізико-механічні властивості бетонів на органічних в'яжучих.