Утомленісна довговічність асфальтобетонів і роль агресивних середовищ

Довговічність – здатність матеріалу забезпечувати працездатність конструкції при заданих режимах експлуатації. Довговічність – це узагальнена властивість матеріалу, яка може характеризуватись часом життя конструкції або матеріалу, кількістю циклів до руйнування при циклічному навантаженні, кількістю циклів заморожування та відтавання. Довговічність залежить від величини прикладеного навантаження, температури навколишнього середовища. Головною особливістю дорожньо-будівельних матеріалів є виключно складні умови експлуатації. Поряд з постійно діючими та циклічними навантаженнями, вони зазнають шкідливого впливу агресивних середовищ: паливно-мастильних матеріалів, води, різних водних розчинів, а сільськогосподарські дороги – ще й впливу технологічних рідин.

Задача технолога – створити такі органобетони, які б забезпечували максимальну довговічність при визначених умовах експлуатації. Але для свідомого вибору технологічних рішень потрібно знати закономірності поведінки матеріалу в умовах комплексу впливів на нього.

Природно розпочати з найбільш простих умов, до яких належать чисто механічні впливи. Існують два види впливів на матеріал у конструкції: циклічні та статичні.

На початку доцільно розглянути закономірності поведінки матеріалів при циклічному навантаженні. Цей вид навантаження більш властивий дорожнім матеріалам. У реальних умовах дорожнє покриття зазнає циклічного впливу навантаження, що зростає у часі. Частота прикладення може бути різною залежно від інтенсивності руху. У лабораторних умовах обирають зручні режими навантаження і реєструють кількість циклів, яку може витримати матеріал у конструкції без руйнування або до досягнення небезпечного рівня руйнування. Існують два основних режими навантаження: 1-й – навантаження постійне за амплітуди циклічного напруження; 2-й – збудження у матеріалі постійної деформації.

У обох випадках кількість циклів (N) навантаження або деформування до руйнування називають витривалістю; її можна називати механічною довговічністю. При цьому характерним є те, що напруження σ₀, що прикладається, значно менше ніж те, що може руйнувати матеріал за один цикл σ_р .

На рис. 11.20 наведена перша схема, коли σ₀ = соnst у процесі циклічного деформування.

При цьому для спрощення приймаються гармонічні коливання (11.11):

σ = σ₀ ∙ n^wt (11.11)

Характер зростання циклічних деформацій буде підпорядковуватись наведеній на рис. 11.20 схемі, а витривалість описується формулами
(11.12 та 11.13):

 

N = k ∙ (11.12)

 

σ_N = A ∙ N^ρ (11.13)

 

де: А – руйнівне навантаження при однократному навантаженні; k, n, р – емпіричні коефіцієнти.

 

Рис.11.20. Схема циклічного деформування серією постійних напружень
σ₀₁ > σ₀₂ > σ₀₃> σ₀₄ (а) та характеру розвитку деформацій, що відповідають цим напруженням (б)

 

Дані, одержані в результаті таких випробувань серією напружень з постійною амплітудою коливань дозволяють побудувати типову утомленісну залежність (криві Вейлера) (рис 11.21). Характерна вейлерівська крива для деяких матеріалів має вигляд, наведений на рис. 11.22.

 

 

Рис.11.21. Криві утомленісної міцності (вейлерівські криві) при однаковій температурі асфальтобетонів на бітумах різних марок: 1 – БНД 40/60; 2 – БНД 130/200

 

ℓg σ ℓg N σу

Рис.11.22. Циклічна утомленість для матеріалів, які мають границю утомленісної міцності

 

На рис. 11.22 показано σ_у – границю утомленісної міцності. Ця границя утомленісної міцності означає, що є такі мінімальні напруження, нижче яких утомленісне руйнування згасає або виявляється дуже слабко. Це характерно для деяких металів і для асфальтобетону при від’ємних температурах тоді, коли σ₀ < 0,1 σ_р .

Друга схема, коли конструкція деформується до визначеного рівня у циклі (ε = const) за законом ε = ε₀ ∙ n^wt, принципово не відрізняється від першої, хоча у ній можна чітко побачити роль релаксаційних напружень в утомленості матеріалу. За критерій утомленісного руйнування (витривалості) в цьому випадку – кількість циклів, за які напруження у зразку знижується удвічі (11.14):

N = k₁ ∙ (11.14)

При усій різноманітності режимів навантаження механізм руйнування в обох випадках принципово один і той же. Основні відміни механізму руйнування обумовлюються не характером навантаження, а станом матеріалу, різним ступенем склоподібності (стан бітумів та полімерів залежить від температури) або типом їх структури (кристалізаційної або коагуляційної).

Механізм руйнування асфальтобетонів доцільно розглянути на прикладі статичної утомленості. При цьому треба згадати, що під дією постійного у часі навантаження (σ=соnst) у тілі розвивається повзучість, яка супроводжується накопиченням залишкових деформацій. Якщо навантаження буде залишено скільки-небудь довго, процес накопичення деформацій у коагуляційних системах завершиться руйнуванням.

Схема деформування та руйнування при статичному навантаженні наведена на рис.11.23. Якщо до матеріалу у конструкції (наприклад, до балки) прикладене постійно діюче навантаження, то у ньому виникає напруження, яке супроводжується спочатку розвитком пружної деформації згідно з моделлю Максвела, а потім пропорційно часу буде розвиватись необоротна деформація.

Як вже відзначалось, деформування реальних тіл не можливо описати простою прямою лінією, і течія реальних коагуляційних систем нескінченна. Реально після ділянки пружного деформування темп зростання деформації у часі згасає, стабілізується, і деформування здійснюється з постійною швидкістю (ділянка прямолінійного зростання деформації у часі), а після досягнення граничного значення деформації воно закінчується лавинним руйнуванням системи. Це відповідає стану, коли усі пружні зв'язки зруйновані і зміщення структурних елементів системи настільки велике, а міжмолекулярні зв'язки настільки послаблені, що руйнування стає цілком необоротним.

З наведеного нижче рис 11.23 витікає, що кожному рівню постійно діючого навантаження (напруження) відповідає визначений час життя під навантаженням. Природно, зі збільшенням навантаження, що діє, система менший час буде протидіяти руйнуванню. Це чітко виявляється, якщо побудувати залежність (рис. 11.24) часу життя t від величини діючого напруження шляхом відкладання напруження по осі абсцис, а відповідного йому часу t по осі ординат (σ₁- t₁; σ₂- t₂; σ₃- t₃; σ₃-t₄).

Графік, що одержано, нагадує вже .розглянуту раніш залежність міцності матеріалу від швидкості деформування або модулю пружності від швидкості деформування чи тривалості дії навантаження, а також вейлерівську закономірність.

Для асфальтобетонів залежно від температури статична витривалість може описуватись двома різними групами рівнянь.

Напруження, σ

Рис. 11.23. Схема статичного завантаження (σ0=соnst) серією постійних навантажень (а) та характер досягнення критичних руйнуючих деформацій, відповідаючих σ1 > σ2 > σ3> σ4 (б)

Рис. 11.24. Криві статичної утомленісті асфальтобетону при різних температурах

 

При низьких температурах (11.15):

 

t = А ∙ е^–аσ (11.15)

 

t = t₀ = t₀ (11.16)

Позначення до формули (11.16):

t₀ - період власних коливань атомів у твердому тілі (t₀ =10^–13 с);

U - енергія розриву міжатомних (міжмолекулярних) зв'язків;

U (σ) - функція енергії активації від напруження, U (σ) = U ₀ – γσ;

U₀ – γσ - частина роботи руйнування, що обумовлена флуктуаціями, а γσ – напруженням;

γ - коефіцієнт структурної неоднорідності розподілення напружень у твердому тілі, що досліджується; він характеризує локальні перенапруження у місцях розвитку руйнування (подібно механізму Грифітса);

Т - температура у градусах Кельвіна.

Друга група рівнянь є універсальною, її можливо застосовувати практично до усіх матеріалів у різних їх станах. Аналіз залежностей дозволяє розкрити сутність процесу руйнування матеріалів, подібних асфальтобетонам, полімерам, пластмасам, принаймні, у зоні температур, що наближаються до температури склування. Зміст з цього процесу сформульовано у термофлуктуаційній теорії міцності С.М. Журкова. Згідно з цією теорією, руйнування – це процес, який розвивається з моменту прикладення навантаження. У його основу покладено накопичення порушень. Коли кількість порушень досягає граничного значення, вичерпується час життя матеріалу. При цьому припускається, що границі міцності не існує. Зовнішнє напруження під час розподілення по міжатомних зв'язках дещо послаблює сили зчеплення атомів (молекул), знижує потенційний бар'єр, який перешкоджає розпаду міжатомних зв'язків. Це зниження знаходиться у межах від U₀ до U(σ) = U₀ – γσ. Потім флуктуації (Е = U₀ – γσ) руйнують зв'язки. На деякі атоми (молекули) "флуктуації" починають впливати одразу ж після прикладення навантаження, на інші - пізніш, але за короткий час "флуктуації" залучають велику долю атомів (молекул) і руйнують значну частину зв'язків.

 

Рис.11.25. Температурна залежність статичної довговічності (а) та зниження енергії активації руйнування зі зростанням напруження (б)

 

Таким чином, руйнування являє собою процес послідовних термофлуктуаційних розривів зв'язків між атомами (молекулами) у твердому тілі. Роль зовнішньої сили полягає у зниженні потенційного бар'єру, що досягається розсуванням атомів (молекул). Проте, без теплового руху розрив не зміг би здійснитись. Зовнішня сила робить більш частими випадки розриву міжатомних (міжмолекулярних) зв'язків. Ця сила визначає й спрямованість процесу, як і при течії рідини. При відсутності зовнішньої сили розрив відбувається, але це компенсується відновленням зв'язків, внаслідок чого загальний розпад тіла не здійснюється. Коли діє зовнішня сила, усувається відновлення зв'язків, тому руйнування необоротне.

При високих температурах, що знаходяться на достатніх відстанях від температури склування, довговічність (час життя) асфальтобетону підлягає рівнянням (11.17, 11.18):

t = В (11.17)

t = В∙ (11.18)

де: В та n_c - постійні, U - енергія активації процесу руйнування;

К - постійна рівняння Больцмана.

Принципової різниці у механізмі розриву, що відповідає наведеним формулам не передбачається. Розрив при високих температурах може здійснюватись переважно на міжмолекулярному рівні. Для асфальтобетону це підтверджується меншими, ніж для хімічних зв'язків, значеннями U₀, залежністю U₀ від вмісту пластифікатора у складі в'яжучого.

У реальних умовах при розгляданні довговічності матеріалів неможливо залишатись у рамках суто механічного підходу. Необхідно ураховувати вплив середовищ. Інтенсивність впливу середовищ на довговічність матеріалів залежить від умов дифузії середовища до тіла зразка, від характеру процесу змочування, від виду взаємодії середовища з компонентами органобетону. Вплив середовища у ненапруженому зразку розглядається у курсі будівельного матеріалознавства, коли він враховувався коефіцієнтами водо- та морозостійкості. Більш цікавим та важливим є розгляд сумісного впливу навантаження та середовища на довговічність матеріалу.

Для аналізу цього явища треба згадати основну формулу, яка описує змочування рідиною твердої поверхні (11.19):

(11.19)

де: σ_тп - поверхневий натяг на границі розподілу тверде тіло-повітря;

σ_тр - поверхневий натяг на границі розподілу тверде тіло-рідина;

σ_рп - поверхневий натяг на границі розподілу рідина-повітря.

За величиною крайового кута змочування поверхні кам'яних матеріалів, що використовуються для виготовлення асфальтобетонів, дуже відрізняються одна від одної. Вода, яка, як полярна рідина краще змочує поверхню кам'яних матеріалів у порівнянні з бітумом, відшаровує бітум з мінеральної поверхні, що суттєво знижує довговічність асфальтобетону. Чиста вода гірше проникає до пор і менш активно сприяє руйнуванню, ніж вода з “розчиненою” у ній ПАР або кислотами чи хлоридами. Така вода здатна проникати до найтонших пор та розщеплювати границю розподілу фаз. Це добре ілюструється даними таблиці 11.14.

Вплив паливно-мастильних рідин зводиться до швидкого змочування ними периферійних оболонок бітуму у порах та розчинення бітумних плівок. Розчинення знижує в'язкість плівок, знижує когезію і зменшує довгочасну міцність за рахунок послаблення міжмолекулярних зв'язків. Характер впливу різних середовищ показано на рис. 11.26.

 

Рис.11.26. Вплив агресивних середовищ на статичну довговічність асфальтобетону при випробуваннях у: 1 – повітрі; 2 – воді; 3 – водному розчині ПАР; 4 – керосині

Таблиця 11.14

Крайовий кут змочування і поверхневий натяг різних систем
та довговічність асфальтобетону у різних середовищах

Вид поверхні, що змочується	Крайовий кут змочування у град та поверхневий натяг мДж/м2 рідин
Вода	5% розчин NaCl	0,5% розчин ПАР	2% розчин НСl	2% розчин Н2SO4
Вапняк	65/73	62/74	32/32	–/72	–/73
Граніт
Кварц
Бітум
Довговічність асфальтобетону, с

Примітка. 1 – у знаменнику наведено значення поверхневого натягу рідини; 2 – довговічність асфальтобетону на повітрі 410 сек.

 

Головною особливістю руйнування матеріалів в агресивних середовищах є співвідношення між швидкістю руйнування та швидкістю поширення середовища у матеріалі зразка. Зі збільшенням напруження час життя зразка зменшується і зменшується внесок середовища до руйнування. Втім середовище навіть при нетривалому впливі навантаження здатне вкласти свій внесок до руйнування. А якщо урахувати, що умови впливу середовища на покриття у часі не обмежені, тоді середовище завжди знаходиться у порах органобетону, а короткочасне навантаження "розтягує" матеріал і створює більш сприятливі умови для руйнівної дії середовища. Циклічне деформування сприяє защемленню середовища у порах і тріщинах з кожним новим завантаженням і посилює процес руйнування.

Другий аспект впливу середовища полягає у тому, що при попаданні до гирла тріщин воно знижує σ_тп, тобто зменшує енергію, необхідну для розділення тіла на частини шляхом переборення його поверхневого натягу.

Розглянуті тут закономірності розкривають у принциповому вигляді суть утомленісного руйнування органобетонів і показують можливості прогнозування їх утомленісної довговічності в умовах впливу різних факторів.