Дьогтебетон

Дьогтебетон – це штучний будівельний матеріал, одержуваний ущільненням перемішаної до однорідного стану при оптимальній температурі суміші дьогтю, щебеню, піску і мінерального порошку.

Відповідно до ГОСТ 25877 дьогтебетони і дьогтебетонні суміші можуть бути різних типів і марок, що визначається особливостями їхнього складу і якістю компонентів. Залежно від в'язкості дьогтю дьогтебетонні суміші поділяються на гарячі і холодні. У перших використовуються дьогті марок Д-6 (в'язкість по витіканню С> 10 c) і Д-5 (С> 150 c), а в других – дьогті марок Д - 4 і Д-5 (C< 150 с). Для виготовлення гарячих сумішей можна застосовувати окислені дьогті і дьогті, що модифіковані добавками полімерів - полівінілхлориду, полістиролу та ін. При цьому можуть бути використані дьогті в'язкістю С= 80-200 с.

Залежно від крупності зерен щебеню дьогтебетони підрозділяються на крупнозернисті (розмір зерен до 4×10^-2м) і дрібнозернисті (розмір зерен до 2×10^-2м). Кількість щебеню в дьогтебетоні визначає характер його макроструктури, фізичні і механічні властивості. Тому в щебенистому дьогтебетоні його вміст не повинний перевищувати 35-50%, а в малощебенистому - 20-35%. Обмеження кількості щебеню обумовлено необхідністю забезпечити необхідну корозійну стійкість дьогтебетону. Однією з найважливіших властивостей дьогтебетону, що визначають його водостійкість, стійкість проти старіння, є щільність. У зв'язку з цим дьогтебетони розділяються на щільні, залишкова пористість П_о в об’ємі до 5%) і пористі (П₀ = 6-12%).

Для дьогтебетонів прийнятий комплекс показників, що характеризує механічні (міцність на стиск при 20 і 50°С) і фізичні (пористість мінерального кістяка, залишкова пористість, водонасичення, набрякання, коефіцієнти короткострокової і тривалої водостійкості) їх властивості. Вимоги до дьогтебетону (табл. 11.2) сформульовані в ГОСТ 25877.

Одержання дьогтебетонів заданої якості можливо за умови використання кондиційних матеріалів. Підхід до якості кам'яних матеріалів (щебінь і гравій) для дьогтебетону має на сьогодні подвійний характер. З одного боку, якість кам'яного матеріалу визначає марку дьогтебетону: чим вона нижче, тим нижче марка дьогтебетону. З іншого боку, якість кам'яного матеріалу призначається з урахуванням умов експлуатації (категорія дороги) і конструктивного шару, для будівництва якого використовується дьогтебетонна суміш. Кам'яні матеріали для верхнього шару покриття повинні мати високу міцність. Так, для дьогтебетону марки 1 необхідно, щоб марка щебеню з вивержених і метаморфічних гірських порід була не нижче 800, а для дьогтебетону марки 2 - не нижче 600. Марка щебеню з осадових порід повинна бути не нижче 600. Зазначені межі відносяться до малощебенистих сумішей. Кам'яні матеріали для щебенистих сумішей приймаються на одну марку вище.

Таблиця 11.2

 

Вимоги до фізико-механічних властивостей дьогтебетонів (ГОСТ 25877)

 

Показники	Дьогтебетони з гарячих сумішей, марок	Пористі дьогтебетони, марок	Дьогтебетони з холодних сумішей, марок
Пористість мінерального кістяка, % за об’ємом, не більше………….	-	-
Водонасичення, % за об’ємом, не більше…………………………..	-	-			5-9	5-9
Набрякання, % за об’ємом, не більше………………………….	….1,0	2,0			3,00	4,00
Межа міцності при стиску (МПа) при температурі 20°С, не менше………………………	….2,2	1,6	-	-	1,20	0,70
не більше………………………	…6,0	6,0	-	-
Теж при температурі 50°С для типів дьогтебетонів, не менше: Б………………......................... В………………………………. Г………………..........................	….0,8 ….0,9 ….0,9	0,6 0,7 0,7	- - -	- - -	- - -	- - -
Коефіцієнт водостійкості, не менше: короткострокової…………….. тривалої………………………...	….0,8 ….0,7	0,6 0,5	- -	- -	0,65 0,50	0,50 0,45

 

Поряд з міцністю, до щебеню пред'являються вимоги по зносу в полочному барабані, морозостійкості, кількості окатаних зерен. Крім того, кам'яні матеріали повинні відповідати вимогам по змісту пилуватих і глинистих часток, формі зерен, однорідності їх складу і властивостей. Так, вміст пилувато-глинистих часток у щебені і гравії з вивержених і метаморфічних гірських порід може бути не вище 1%, а з осадових карбонатних – не вище 2%. Вміст глинистих часток не повинен перевищувати 0,5%, оскільки при досить низькій когезійній міцності й адгезії дьогтю їхнє збільшення приводить до різкого зниження водо- і морозостійкості дьогтебетону.
Найкраще упакування зерен мінерального кістяка забезпечується в тому випадку, якщо вони мають форму тетраедра або куба. Включення зерен ліщадної форми знижує міцність дьогтебетону, тому що вони легко дробляться в процесі ущільнення і під навантаженням транспорту, що рухається. У зв'язку з цим вміст зерен ліщадної і пластинчастої форми не повинен перевищувати 25% за масою для щебенистого дьогтебетону і 35% для малощебеневого.

Пісок застосовується в дьогтебетоні для забезпечення щільності мінерального кістяка і поліпшення легкоукладальності суміші. Однак, окатана поверхня піску і наявність на його зернах глинистої оболонки погіршують адгезійні властивості дьогтю. Тому для дьогтебетону рекомендуються піски з досить великими зернами (М_к>2,5) і вмістом глинистих часток не більш 0,5%. При відсутності крупно- і середньозернистих пісків доцільно використовувати комбіновані, що складені з дрібнозернистих природних і дроблених. Дроблені піски виготовляють з тих же гірських порід, що і щебінь. Вимоги до дробленого піску для піщаного дьогтебетону особливо жорсткі. Марка вивержених гірських порід в цьому разі має бути не нижче 1000, щоб забезпечити зносостійкість і стійкість структури дьогтебетону в часі.

Найважливішим структуротвірним елементом дьогтебетону є мінеральний порошок. Це тонкодисперсна складова утворює з дьогтем бінарну систему, яка за властивостями принципово відмінна від вихідного в'яжучого. Характерно, що навіть при використанні малов’язких дьогтів добавкою визначеної кількості і якості мінерального порошку можна домогтися одержання міцного і довговічного дьогтебетону.

Мінеральний порошок структурує в'яжуче дьогтебетону, підвищує його щільність, водостійкість, морозостійкість і міцність при підвищених температурах. У той же час природа поводження мінерального порошку в дьогтебетоні вивчена недостатньо. Це стосується характеру взаємодії його поверхні з дьогтем, когезійних та низькотемпературних властивостей дьогтю в структурованих шарах, вибору кам'яних матеріалів для порошку, способів його фізико-хімічної активації в процесі помелу і використання порошкоподібних відходів промисловості.

Дьогтебетони є гарним матеріалом для покриттів і основ доріг 2-4 категорій. Дрібнозернисті і піщані щільні дьогтебетони марки 1 з гарячих сумішей використовуються для будівництва верхніх шарів покриття, а дьогтебетони марки 2 - нижніх шарів. З пористих дьогтебетонів улаштовують основи доріг 1-4 категорій, а з холодних дьогтебетонних сумішей - покриття доріг низьких категорій.

Для призначення раціональних областей застосування дьогтебетонів необхідно накопити досвід експлуатації дьогтебетонних покриттів у різних регіонах країни, вивчити особливості процесів деформування і руйнування дьогтебетонів, їхньої стійкості проти впливу тепла, корозійних середовищ і ін. Ці дослідження дуже важливі, тому що дьогті і складові їхні матеріали відрізняються винятковою мінливістю властивостей. Ігнорування кожної з особливостей структуроутворення в дьогтебетоні може бути причиною інтенсивного руйнування дьогтебетонного покриття.

Здатність дьогтебетону протистояти дії факторів навколишнього середовища оцінюється за такими його фізичними властивостями, як водостійкість при тривалому водонасиченні, морозостійкість і стійкість проти старіння під впливом температури і кисню повітря. Дані властивості дьогтебетону визначаються його складом і якістю складових. Водостійкість дьогтебетону, незважаючи на розповсюджені твердження про високу адгезійну здатність дьогтю, є недостатньою для забезпечення тривалої корозійної стійкості покриття. Це зв'язано з тим, що водостійкість обумовлюється не тільки характером взаємодії на межі фаз «дьоготь – мінеральний матеріал», але і когезійною міцністю шарів в'яжучого у водонасиченому стані. Збільшення в'язкості в'яжучого супроводжується підвищенням його адгезійно - когезійних властивостей, що приводить до закономірного росту водостійкості дьогтебетонів усіх видів гранулометрії на щебені з граніту і щільного вапняку (табл. 11.3.) (експериментальні дані, що наведені в розділі 11.2 отримані канд. тех. наук, доцентом Псюрником В.О.)

 

Таблиця 11.3

Вплив в'язкості дьогтю, гранулометрії мінерального кістяка і
виду щебеню на водостійкість дьогтебетону

 

Вид щебеню	В'язкість дьогтю С, с	Квд дьогтебетонів, що містять щебеню, %
Гранітний		0,46 0,49 0,59	0,40 0,53 0,60	0,40 0,47 0,49	0,35 0,45 0,48
Вапняковий		0,66 0,71 0,65	0,62 0,65 0,65	0,55 0,62 0,54	0,42 0,52 0,52

Примітка. К_вд - коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні.

 

Вплив гранулометрії мінерального кістяка полягає в тому, що зі збільшенням вмісту щебеню, як правило, змінюється характер пористості дьогтебетону і зменшується його водостійкість. Особливо чітко це спостерігається в сумішах, що містять 60% щебеню. Вапняковий щебінь забезпечує більш високу водостійкість дьогтебетону, ніж гранітний. Це обумовлено формуванням більш міцних когезійних шарів в'яжучого на вапняковій підкладці за рахунок фільтрації легких складових дьогтю в пори кам'яного матеріалу.

Істотний вплив на фізичні властивості дьогтебетону має вид мінерального порошку (табл. 11.4). За даними з таблиці 11. 4, найкращі показники водостійкості дьогтебетонів – на вапняковому мінеральному порошку. Застосування порошку з граніту не забезпечує достатньої адгезійної взаємодії дьогтю з мінеральною підкладкою, незважаючи на велику адсорбційну активність кварцу. Навіть активація цього порошку не дозволяє досягти такого рівня водостійкості, як у дьогтебетонах на вапняковому порошку. Крім того, використання відходів каменедрібнення гранітів, забруднених пилувато-глинистими частками, може привести до зниження зсувостійкості дьогтебетонного покриття.

Застосування комбінованих порошків, складених з вапнякового порошку і золи-виносу ТЕС, підвищує водостійкість дьогтебетону завдяки присутності незгорілих часток вугілля, що добре змочуються дьогтем і є стосовно нього активним структуротвірним наповнювачем. Якість в'яжучих визначається не тільки його в'язкістю, але і властивостями компонентів, що входять до нього. Властивості пеку майже не впливають на якість дьогтю. Однак тип дисперсійного середовища істотно впливає на формування властивостей в'яжучого і дьогтебетону, зокрема на його водостійкість. Так, коефіцієнт К_вд дьогтебетонів, що виготовлені з дьогтю на кам'яновугільній смолі, складає 0,52 - 0,54, на антраценовому маслі – 0,62-0,63. Це розходження обумовлено тим, що антраценове масло пептизує альфа- і бета-фракції дьогтю, сприяє формуванню більш однорідної його структури.

 

Таблиця 11.4

Вплив якості мінерального порошку на фізико-механічні
властивості дьогтебетону

 

Вид порошку	Водонасичення, % за об’ємом	Межа міцності при стиску (МПа) при температурі	Квд після
20°С	50°С	14 діб.	30 діб.
Вапняковий	3,0	3,2	0,85	0,56	0,40
Те ж з 2% дьогтю	2,2	3,5	1,15	0,56	0,42
Гранітний	4,2	2,9	0,60	0,50	0,36
Те ж з 2% дьогтю	3,6	3,1	0,70	0,52	0,39
Комбінований з вапняку і граніту	3,4	3,4	0,90	0,47	0,39
Те ж з 2% дьогтю	2,9	3,9	0,90	0,51	0,41
Комбінований з вапняку і золи-виносу ТЕС	2,8	3,6	0,75	0,53	0,39

 

Водостійкість дьогтебетону тісно пов’язана з його морозостійкістю. Руйнування плівки в'яжучого при циклічному заморожуванні-відтаванні і її відшарування від поверхні кам'яного матеріалу під дією води є близькими фізико-хімічними процесами. У той же час при циклічному заморожуванні-відтаванні в контактних шарах діють і температурні напруження, що викликаються розходженням коефіцієнтів лінійного розширення кам'яних матеріалів і в'яжучого.

Температурні напруження в дьогтебетоні залежать від того, наскільки інтенсивно при охолодженні протікають процеси релаксації. Більш активно вони розвиваються в дьогтебетоні на дьогтях меншої в'язкості, що мають низькі значення температури склування або крихкості. Якщо процеси руйнування при циклічному заморожуванні-відтаванні обумовлюються, в основному, температурними напруженнями, то більш висока морозостійкість повинна бути у дьогтебетонах на дьогтях малої в'язкості. Проведені дослідження показали, що головний вплив на морозостійкість дьогтебетону здійснюють адгезійно-когезійні зв'язки (табл. 11.5).

Дійсно, підвищення в'язкості дьогтю і заміна гранітного щебеню вапняковим приводить до росту морозостійкості дьогтебетону. А як відомо, і той і інший фактор збільшують адгезію і когезію в'яжучих.

Вплив макроструктури дьогтебетону носить трохи більш складний характер. Максимальною морозостійкістю характеризуються малощебенисті дьогтебетони. У них окремі зерна щебеню знаходяться одне від одного на значній відстані і є щільними включеннями, стійкими проти впливу перепадів температури. Ці включення ніби збільшують частку складової морозостійкості в загальному об’ємі матеріалу. Підвищення вмісту щебеню до такої кількості, при якому зростає число великих і відкритих пор, веде до інтенсивного падіння морозостійкості.

Таблиця 11.5

Вплив в'язкості дьогтю, виду щебеню і гранулометрії

мінерального кістяка на морозостійкість дьогтебетону

Вид щебеню	В'язкість дьогтю С, с	Коефіцієнт морозостійкості після 30 циклів для дьогтебетонів з вмістом щебеня, %
Гранітний		0,14 0,18 0,42	0,12 0,17 0,29	0,05 0,10 0,26
Вапняковий		0,17 0,26 0,58	0,14 0,30 0,45	0,06 0,14 0,36

Таким чином, до основних факторів підвищення водостійкості і морозостійкості дьогтебетону відносяться оптимальна по вмісту щебеню макроструктура дьогтебетону, підвищені в'язкість і адгезійні властивості дьогтю, дьогтефільність мінерального порошку. Слід зазначити, що питання регулювання адгезії дьогтю і вибору активаторів для модифікації мінерального порошку в даний час практично не досліджені.

Одна з найважливіших причин передчасного руйнування дьогтебетонних покриттів - інтенсивне старіння, що приводить до переходу дьогтебетону в крихкий стан і зниженню його деформативних властивостей при низьких температурах. Старіння дьогтебетону обумовлене наявністю в дьогті легковипарувальних компонентів, а також тим, що під впливом кисню повітря і тепла у ньому протікають процеси поліконденсації легких компонентів, що викликають збільшення концентрації альфа- і бета-фракцій.

Інтенсивність процесів старіння в часі збільшується зі зменшенням в'язкості вихідного в'яжучого (табл. 11.6, рис. 11.2).

Таблиця 11.6

Зміна температурних характеристик дьогтів у процесі старіння, °С

Умовна в'язкість С, с	Температура крихкості	Температура розм'якшеності
вихідна	після 50 годин старіння	вихідна	після 50 годин старіння
18/12	-16/-3	-4/18	20/18	36/47
77/80	-5/2	5/18	32/24	53/49
125/128	0/5	6/18	36/34	56/62

Примітка. У чисельнику наведені дані для дьогтів на антраценовому маслі, у знаменнику - на кам'яновугільній смолі.

 

Рис. 11.5. Залежність відносної міцності на стиск дьогтебетонів R_c/R₀ від часу старіння t для дьогтів в'язкості , с: 1-12; 2-80; 3-128 (на кам'яновугільній смолі); 4-18; 5-77; 6-125 (на антраценовому маслі); R₀, R_с - міцність бетону при стиску початкова та у процесі старіння відповідно

 

Сповільнити цей процес дозволяє використання для отримання дисперсійного середовища дьогтю важких масел і продуктів з малим вмістом фенолів. Так, дьогтебетони, що виготовлені з дьогтю на антраценовому маслі, відрізняються вдвічі меншою інтенсивністю старіння.

Наведені в табл.11.6 дані свідчать, що в процесі старіння дьогтю в шарі товщиною 2×10^{-3 м під впливом температури 60}°С і ультрафіолетового опромінення протягом 50 годин відбувається інтенсивна зміна температури крихкості і розм'якшеності. В'язкість дьогтю має істотний вплив на зміну температури крихкості: така зміна тим більше, чим менше в'язкість дьогтю. Темп росту температури розм'якшеності при старінні практично не залежить від в'язкості. Найбільш інтенсивно змінюються ці дві критичні температури в дьогтях на кам'яновугільній смолі. Таким чином, процес опору старінню дьогтебетонів практично цілком обумовлений здатністю дьогтю зберігати незмінність складу і властивостей під впливом тепла і кисню повітря. Основним способом уповільнення старіння дьогтю є модифікація дисперсійного середовища.

З метою об'єктивної оцінки впливу різних структурних факторів на властивості дьогтебетонів, прогнозування його поводження при експлуатації необхідно знати такі маловивчені особливості його механічного поводження, як деформування і руйнування.

Закономірності деформування дьогтебетону варто вивчати в умовах, близьких до експлуатаційних, тобто в широкому діапазоні температур і часу дії навантаження на вигин.

Нежорсткі дорожні одяги з дьогтебетонним покриттям розраховуються за умовами їхньої роботи в області пружності. У даному випадку найбільш важливо установити область лінійного в’язкопружного поводження дьогтебетону, у якій модуль пружності не залежить від рівня напруженого стану. Для дьогтебетону її можна визначити за характером зміни залежності “напруження - деформація при деформуванні”.

На рис. 11.6 видно, що область лінійного поводження дьогтебетону, встановлена по ділянці лінійної залежності між напруженнями і деформаціями, і обмежується двома параметрами: критичною деформацією і критичним напруженням. Перший з них практично не залежить від часу механічного впливу (частоти деформування). Абсолютне значення критичної деформації e_кр залежить від в'язкості використовуваного дьогтю (збільшується з підвищенням в'язкості) і від температури (зростає від 2×10^-4 до 7,5×10^-4 при зміні температури від 0 до 40°С).

Критичне напруження, що обмежує область лінійності, показує, при яких рівнях дьогтебетон буде деформуватись як лінійна в’язкопластична система напруження. Це напруження є функцією часу механічного впливу (рис. 11.6). Отже, закон зміни критичного напруження s_кр аналогічний установленому Н.Н. Івановим і М.Я. Телєгіним для залежності руйнівного напруження, від швидкості деформування.

Інтенсивність зміни s_кр залежить від різних факторів: температури і в'язкості дьогтю, якості дисперсійного середовища та ін. Умови експлуатації вимагають, щоб при тривалому механічному впливі матеріал повинен мати максимальні критичні деформації і напруження. Регулювати властивості дьогтебетону в цьому напрямку можна спрямованою зміною якості дьогтю і введенням структурувальних хімічних речовин.

 

Рис.11.6. Залежність між напруженням s і деформацією e для дьогтебетону, що містить 40% щебеню і дьоготь на основі кам'яновугільної смоли (с), при температурі 20°С і частоті деформування, Гц: 1 - 10; 2 - 0,5; 3 - 0,1; 4 - 0,05	Рис.11.7. Залежність напруження sл, що обмежує область лінійності, від частоти деформування j (Гц)для дьогтебетону на дьогті з антраценовим маслом (1) і кам'яновугільною смолою (2)

 

Дьогтебетону властива степенева залежність модуля пружності від частоти деформування в широкому діапазоні температур (40°С...-20°С) (рис. 11.8). Це дозволяє визначити коефіцієнт пластичності (див. вище – формула 11.3) за методом, який запропонований М.М. Івановим і М.Я. Телєгіним. Коефіцієнт пластичності дьогтебетону - характеристика перемінна, екстремальна, залежна від температури (рис. 11.9). Це обумовлено релаксаційними процесами, що протікають у дьогтебетоні.

В області низьких температур дьогтебетон поводиться подібно крихкому тілу. Час дії в ньому релаксаційних процесів істотно перевищує час впливу навантаження, тому вони не встигають вплинути на частотну залежність модуля пружності. У цьому випадку дьогтебетон характеризується високим значенням модуля пружності і мінімальним значенням коефіцієнта пластичності. В області високих температур релаксаційні процеси протікають набагато швидше, ніж діє навантаження, і встигають здійснитися при кожній з розглянутих частот деформування. У результаті цього коефіцієнт пластичності дьогтебетону малий, а здатність дьогтебетону до розвитку пластичних деформацій дуже велика. Таким чином, коефіцієнт пластичності не може однозначно характеризувати ступінь розвитку в дьогтебетоні пластичних деформацій. При різних значеннях коефіцієнта пластичності дьогтебетон може знаходитися як у крихкому, так і у в’язкопластичному стані.

	φ 0,1 T, °C m
Рис.11.8. Залежність модуля пружності Е(МПа) дьогтебетону, що містить 40% щебеню і дьоготь ( с), від частоти деформування j при температурі, °С:-20 (1); -10 (2); 0 (3); 20 (4); 30 (5); 40 (6)	Рис.11.9. Залежність кута механічних втрат φ (1) і коефіцієнта пластичності m (2) від температури Т для дьогтебетону, що містить 40 % щебеню і дьоготь (с)

 

Фізичну сутність коефіцієнта пластичності можна пояснити релаксаційними процесами, що протікають у дьогтебетоні. Справедливість даного положення підтверджує залежність кута механічних втрат від температури (рис. 11.9) і кореляційний взаємозв'язок між кутом механічних втрат і коефіцієнтом пластичності (рис. 11.10).

Кут механічних втрат є характеристикою інтенсивності протікання релаксаційних процесів у системі. Подібність температурної залежності кута механічних втрат і коефіцієнта пластичності свідчить про релаксаційну сутність останнього.

При слабкому впливі релаксаційних процесів на реологічні властивості дьогтебетонів коефіцієнт пластичності мінімальний. Якщо матеріал знаходиться в засклованому (крихкому) або у в’язкоплинному стані, вплив релаксаційних процесів незначний. У в’язкопластичному стані релаксаційні процеси впливають на реологічні характеристики дьогтебетону в максимальному ступені. Про це свідчать максимальні значення кута механічних втрат і коефіцієнта пластичності. Таким чином, при температурі, що відповідає максимальному значенню коефіцієнта пластичності, оптимально сполучаються властивості пружного і в’язкого тіла. Іншими словами, максимальне значення коефіцієнта пластичності відповідає такому стану, при якому відношення часу релаксації до часу дії навантаження наближається до одиниці.

 

φ m	Т, °С ℓg Е Твп Тск
Рис.11.10. Кореляційна залежність між коефіцієнтом пластичності m і кутом механічних втрат φ	Рис.11.11. Залежність модуля пружності Е (МПа) дьогтебетону на дьогті з кам'яновугільною смолою від температури Т при частоті деформування, Гц: 1-0,01; 2-0,5; 3-10

 

Температуру переходу дьогтебетону в засклований стан Т_ск можна визначити за температурною залежністю модуля пружності, що має S-подібний характер (рис. 11.11). При низьких температурах спостерігається зменшення темпу наростання модуля пружності (пологі ділянки кривих). Це обумовлено зниженням швидкості релаксаційнних процесів у дьогтебетоні і склуванням дисперсійного середовища дьогтю. Пологі ділянки кривих в області позитивних температур свідчать про перехід дьогтебетону у в’язкопластичний стан.

На наведеній на рис. 11.12 схемі за умовну температуру склування Т_ск,, прийнято температуру, що відповідає значенню модуля пружності 10⁴ МПа, а за температуру переходу у в’язкопластичний стан Т_вп – температуру, що відповідає значенню 10² МПа. Температура склування, обумовлена зміною показників механічних властивостей, є релаксаційною характеристикою, тобто її значення залежить від часу дії навантаження, що і демонструє рис. 11.12.

Темп підвищення температури крихкості дорівнює 5 ... 7 °С на один порядок збільшення частоти. Якщо інтервал між температурою в’язкопластичності і температурою склування дьогтебетону прийняти як інтервал пластичності, то можна припустити, що температура, яка відповідає максимальному значенню коефіцієнта пластичності, є серединою цього інтервалу. Тоді за залежністю, наведеною на рис. 11.13, можна встановити температуру переходу дьогтебетону в засклованний стан, а отже, і інтервал пластичності дьогтебетону. Останній можна використовувати при визначенні впливу виду і технології виробництва в'яжучого на експлуатаційні властивості дьогтебетону, а також при призначенні області його застосування.

Рис.11.12. Залежність температури склування Тск і в’язкопластичного стану Твп від частоти деформування для дьогтебетону на дьогті в'язкістю : 1 – 90с (з кам'яновугільною смолою); 2 – 70с; 3 – 150с (з антраценовим маслом)

Природно, що наведена на рис.11.13 залежність не є узагальнювальною. Вона лише дозволяє встановити загальний підхід до визначення інтервалу пластичності дьогтебетону. Для практичного застосування такого підходу необхідне накопичення даних про взаємозв'язок температур максимального значення коефіцієнта пластичності і температур склування дьогтів різної якості.

Результати досліджень показали, що основний вплив на температуру переходу в дьогтебетоні має якість дьогтю. При заміні в дьогті кам'яновугільної смоли на антраценове масло температура склування дьогтебетону знижується в середньому на 8...10°С, а інтервал пластичності підвищується на 12...15°С. Збільшення в'язкості і модуля пружності дьогтю супроводжується ростом модуля пружності дьогтебетону (рис. 11.14), зсувом температур переходу в область великих значень, що позитивно позначається на зсуво- і деформативній стійкості при позитивних температурах, але може привести до утворення тріщин у зимовий період. Тип макроструктури дьогтебетону, обумовлений вмістом у ньому щебеню, слабко впливає на температуру переходу. Це зв'язано з незначною зміною температури склування дьогтев’яжучої речовини при підвищенні в ньому вмісту мінерального порошку на 15-20 %.

	ℓgEдб ℓg Eд.
Рис. 11.13. Взаємозв'язок температури, що відповідає максимумові коефіцієнта пластичності Тm і умовної температури склування Тск	Рис.11.14.Залежність модуля пружності дьогтебетону Едб (МПа) від модуля пружності дьогтю Ед (МПа) при рівних частотах деформування

 

Інтенсивність зміни інтервалу пластичності дьогтебетону залежить від його температурної чутливості, яку можна визначити по ділянці в’язкопружного поводження як коефіцієнт, що характеризує збільшення логарифма модуля пружності на один градус підвищення-зниження температури. Зміна цього коефіцієнта обумовлюється також якістю дьогтю: він збільшується при підвищенні в'язкості дьогтю, максимальний – для дьогтебетонів на основі дьогтів з кам'яновугільною смолою і практично не залежить від макроструктури дьогтебетону.

Аналіз особливостей деформування дьогтебетону дозволяє зробити наступні висновки: дьогтебетони із сумішей гарячого типу мають високий опір розвиткові пружних деформацій: модуль пружності інтенсивно змінюється зі зниженням температури; область лінійного деформування дьогтебетону відповідає деформаціям, що виникають на дорожньому покритті в реальних умовах; температура склування дьогтебетонів набагато вище, ніж асфальтобетонів, і не може забезпечити тріщиностійкості покриття; інтервал пластичності дьогтебетону значно вужче, ніж асфальтобетонів; температурні переходи в дьогтебетоні і залежність його механічних властивостей від температури і часу дії навантаження визначаються реологічними властивостями в'яжучих.

В умовах експлуатації дьогтебетонні покриття піддаються впливові механічних зусиль, що викликають у ньому дотичні напруження. Недостатня міцність дьогтебетону під впливом цих напружень є причиною інтенсивного формування на покритті в перший період експлуатації пластичних деформацій у вигляді хвиль, напливів і ін. Оцінка зсувостійкості дьогтебетону в лабораторних умовах може виконуватись різними методами. Один з них - випробування на крутіння циліндричних зразків при температурі 50°С і різних значеннях вертикального тиску Рв. Зсувостійкість дьогтебетону, як і інших штучних будівельних конгломератів, забезпечується зчепленням і внутрішнім тертям. Зчеплення практично цілком визначається когезійними властивостями вільного і структурованого дьогтю, а внутрішнє тертя залежить від ступеня насичення суміші щебенем (ступеня формування в ньому кістяка з мінеральних матеріалів) і когезійних властивостей в'яжучого.

У загальному випадку опір зсуву дьогтебетону при збільшенні в ньому кількості щебеню змінюється по екстремальній залежності. У той же час вміст щебеню, що відповідає максимальному значенню опору зсуву, залежить від в'язкості використовуваного дьогтю. Збільшення останньої супроводжується зсувом максимуму міцності убік більшого вмісту щебеню (рис. 11.15). Абсолютне значення такого зсуву залежить від форми щебеню, його походження, якості дьогтю й інших структурних факторів.

Зсувостійкість дьогтебетону зростає також при використанні вапнякового щебеню. Вплив мінерального складу щебеню на стійкість дьогтебетону підтверджує її обумовленість адгезійно-когезійними властивостями в'яжучих у тонких шарах. Застосування вапнякового щебеню приводить до структурування в'яжучого, підвищення його міцності завдяки, наприклад, фільтрації легких складових дьогтю в пори вапнякового щебеню.

Дьогтебетони повинні забезпечувати тріщиностійкість покриття. Оскільки температури переходу дьогтю в крихкий стан високі, забезпечити тріщиностійкість дьогтебетону на традиційному дьогті досить важко.

Як критерії тріщиностійкості матеріалів на основі органічних в'яжучих на цей час використовують граничні деформації при заданій температурі, коефіцієнт пластичності, кінетичні параметри за А.М. Богуславським, абсолютне значення межі міцності на розтягання або вигин, критичну температуру переходу в крихкий стан. Останній критерій, що відбиває з деяким допущенням процес склування в дьогтебетоні, є більш обґрунтованим.

При критичній температурі переходу в крихкий стан величини граничних деформацій дьогтебетонів різних типів повинні бути близькі. Визначення цієї температури здійснюється на основі аналізу температурної залежності міцності при вигині. Температуру, що відповідає максимумові міцності, прийнято вважати температурою крихкості. Природно, що для наукових цілей було б більш коректно визначати температуру склування дьогтебетону ділатометричним методом. Однак він дуже складний, тому для порівняльних досліджень впливу різних структурних факторів на тріщиностійкість дьогтебетону можна обмежитися вивченням температури крихкості.

Залежність температури крихкості від в'язкості дьогтю показана на рис. 11.16. Перехід від в'язкого дьогтю до малов’язкого супроводжується зниженням температури крихкості дьогтебетону: при температурі крихкості дьогтю 0, -5 і -16°С температура крихкості дьогтебетону відповідно дорівнює -5, -10 і -16°С. У той же час дьогтебетони з однакових вихідних матеріалів, але з різним типом гранулометрії мають практично однакову температуру крихкості. У дьогтебетонів на гранітному щебені вона трохи менше, ніж у дьогтебетонів на вапняковому щебені. Це зв'язано з фільтрацією легких складових дьогтю в пори вапняку і переходом дьогтю, що залишився в міжзерновому просторі, у більш в’язкий стан.

Отримані дані підтверджують припущення про необхідність зниження в'язкості дьогтю, застосовуваного в сумішах з осадовими гірськими породами, створення в ньому еластичної сітки, здатної деформуватися при негативних температурах без руйнування. Цього можна досягти введенням у дьогті полімерних добавок, що надають еластичності в'яжучому при низьких температурах.

 

Сщ, %
Рис.11.15. Залежність зсувостійкості дьогтебетону tзс від вмісту щебеню Сщ. Криві 1-4 відповідають в'язкості дьогтю (щебінь гранітний) і (щебінь вапняковий)	Рис.11.16. Залежність границі міцності при вигині Rвиг від температури Т дьогтебетону на дьогті в'язкістю ,с: 1 - 120; 2 - 80; 3 - 25 (щебінь гранітний 40%)

 

Як вже відзначалося, при різних значеннях температури дьогтебетон може знаходитися в різних фізичних станах. У кожному з таких станів механічні властивості дьогтебетону повинні виявлятися по-різному. Це визначається не однаковою релаксаційною здатністю дьогтебетону в крихкому, пружнов’язкому і в’язкопластичному станах. Для визначення залежності міцності дьогтебетону від часу дії навантаження і прогнозування його довговічності доцільно вивчити статичну утому дьогтебетону. Статична утома встановлюється за часом перебування зразка під постійно діючим навантаженням до руйнування. Кожному значенню навантаження відповідає визначений час життя зразка, що дозволяє побудувати графічні залежності (рис. 11.17).

Згідно з термофлуктуаційною теорією міцності, руйнування матеріалу (Журков М.С.) відбувається під дією теплових флуктуацій, а напруження, що виникає, лише знижує енергію взаємодії в ньому часток. Встановлено, що тверді тіла руйнуються в результаті розриву хімічних і міжмолекулярних зв'язків. Доказом цьому служить експонентний характер залежності часу руйнування від величини діючого напруження s.

Для дьогтебетонів різних структурних типів на дьогтях різної в'язкості залежність t(s) не підпорядковується експонентному законові в області температур вище 0°С. Надійність опису статичної утоми експонентною або степеневою функцією визначається за коефіцієнтом апроксимації К_а. При позитивних температурах, тобто в області в’язкопружного поводження дьогтебетону, він менше одиниці, а при переході дьогтебетону в пружний стан - більше одиниці. Отже тимчасова залежність міцності дьогтебетону підпорядковується різним законам, що обумовлено його станом. У свою чергу, стан дьогтебетону навіть при однаковій температурі може бути різним і визначається величиною навантаження або часу деформування.

		Рис.11.17. Залежність статичної утоми t (с) від згинального напруження s при температурі, Т, °С: 20 (1, 2), 10 (3), 0 (4), –10 (5), -20 (6). Криві 1, 3 - 6 наведені для дьогтебетону типу Б на дьогті марки Д-6, а крива 2 – для дьогтебетону типу Г на дьогті в'язкістю с.

 

Зіставляючи наведені дані з результатами, отриманими Г.М. Бартенєвим, можна вважати, що у в’язкопружному стані поводження дьогтебетону підпорядковується законові t = Bs^–b, а руйнування його відбувається через розрив під спільним впливом напруження і теплових флуктуацій міжмолекулярних зв'язків. В області, близької до області пружності, статична утома дьогтебетону описується рівнянням t = t₀×exp(U) / (KT), і руйнування викликається розривом хімічних міжмолекулярних зв'язків.

Міцність дьогтебетону залежить від часу дії навантаження тим менше, чим повніше стан його склування. При цьому існує область, у якій час навантаження практично не впливає на міцність, що свідчить про перехід матеріалу в пружний стан.

Отримані результати добре погоджуються з температурно-частотною залежністю модуля пружності, що характеризується ділянкою інтенсивної зміни модуля пружності і ділянкою істотного уповільнення його росту з підвищенням частоти деформування і зниженням температури.

Гетерогенність структури і складу дьогтебетону є причиною аномального зниження статичної утоми і міцності дьогтебетону в області низьких температур (крива 6 на рис. 1.17). Це може бути викликано ростом температурних напружень у дьогтебетоні в міру зниження температури, розвитком у ньому мікротріщин і повільним протіканням релаксаційних процесів. Структурні особливості дьогтебетону позначаються на його статистичній утомі. В області в’язкопружності утомлену міцність можна підвищити регулюванням мікроструктури дьогтебетону, її однорідності за рахунок використання піщаних сумішей, а також зміною в'язкості дьогтю. При переході до низьких температур підвищення в'язкості дьогтю викликає зниження температур склування дьогтебетону і його статичної утоми.

Усі розглянуті закономірності свідчать, що характер зміни міцності, статичної утоми і деформаційних властивостей дьогтебетону залежно від температури визначається головним чином, якістю дьогтю. Удосконалювання властивостей дьогтю необхідно здійснювати розширенням його інтервалу пластичності і поліпшенням здатності до еластичних деформацій при знижених температурах.