Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Среди многих видов строительных материалов одним из широко востребованных является асфальтобетон, получаемый в результате отвердевания уплотненной рационально подобранной смеси, состоящей из асфальтового вяжущего вещества и заполняющих минеральных компонентов. В составе асфальтового вяжущего присутствуют битум и минеральный порошок и, как правило, широко используются различные модификаторы, например, термоэластопласты, синтетические каучуки, тонкодисперсная резиновая крошка и т.д. В последнее время наиболее востребованными модификаторами являются адгезионные добавки (или поверхностно-активные вещества), в том числе полимерные [11, 12, 18]. При отсутствии в смеси крупного заполнителя – щебня или гравия – получаемый строительный конгломерат именуется песчаным асфальтом или асфальтовым раствором. Асфальтобетоны используют в строительстве при возведении магистральных, городских, аэродромных, дорожных, кровельных и других покрытий, гидротехнических, мостовых, промышленных, жилищно-гражданских и иных зданий и сооружений [3, 4, 10, 17, 19].

Асфальтобетоны получили наибольшее распространение при строительстве дорожных покрытий, создающих максимальные удобства для движения транспортных средств и пассажиров. Асфальтобетонным покрытиям присущи многие положительные свойства, такие как достаточная механическая прочность, способность к допускаемым упругим и пластическим деформациям, хорошее сцепление автомобильных шин с дорожным покрытием, возможность получения ровной поверхности при сравнительно небольшой жесткости покрытия, высокая демпфирующая способность, а также сравнительная простота ремонта и возможность широкой механизации работ при производстве асфальтобетонных смесей, строительстве и ремонте покрытий [3, 9, 10, 19].

Совершенствованием структуры, составов и технологии изготовления асфальтобетонов занимается большое количество ученых как у нас в стране, так и за рубежом [6, 9, 11, 12, 14, 19]. Традиционно получение оптимальной структуры и наилучших свойств асфальтобетона направлено по пути соответствующего подбора компонентов минеральной части и, в частности, гранулометрического состава асфальтобетонной смеси и качественных показателей минеральных материалов. В последние годы наибольшее внимание уделяется повышению качества вяжущих материалов, т.е. получению и применению битумов с улучшенными физико-механическими показателями, высокой устойчивостью к старению и обладающих хорошим взаимодействием с минеральной частью асфальтобетонной смеси [11, 12, 18].

При объединении минеральных материалов с битумом происходят сложные физико-химические процессы, характер которых значительно зависит от состава и свойств материалов. Например, характер физической адсорбции минеральной поверхности граничного слоя битума; устойчивость хемосорбционных процессов, протекающих на границе раздела битум – минеральный материал; интенсивность избирательной диффузии компонентов мальтеновой части битума в минеральный материал, вследствие которой могут существенно изменяться свойства адсорбированного слоя битума; изменение свойств минеральных материалов в результате их взаимодействия с битумом [3, 4, 10, 15] .

Особенность современных исследований в области получения оптимальной структуры и наилучших свойств асфальтобетона состоит в стремлении к получению материала с повышенной долговечностью и стабильными эксплуатационными показателями в течение максимально возможного межремонтного срока службы асфальтобетонного покрытия [12, 17, 18].

Отличительной особенностью асфальтобетона является значительная зависимость его эксплуатационных характеристик от интенсивности влияния климатических факторов в регионе эксплуатации дорожного покрытия, что определяет характер последующих процессов усталости и старения, интенсивность развития различных дефектов. В районах с высокой летней температурой воздуха неудовлетворительные характеристики вяжущего в покрытии могут привести к появлению пластических деформаций (волн, колей и т.д.). Очень низкие зимние температуры воздуха обусловливают необходимость повышения трещиностойкости асфальтобетона. Большое количество переходов температуры через 0 °С и значительное количество осадков во многих регионах России требуют особое внимание уделить повышению водостойкости асфальтобетона.

Как известно, асфальтобетон в дорожном покрытии воспринимает значительные транспортные нагрузки и подвергается воздействию погодно-климатических факторов, в том числе атмосферных и талых вод. Вода проникает в поры асфальтобетона и ослабляет взаимную связь минеральных материалов с пленкой вяжущего, что приводит к ускоренному износу покрытий и образованию выбоин [12]. Водостойкость зависит от плотности асфальтобетона и устойчивости адгезионных связей нефтяного битума. Снижение прочности асфальтобетона с увеличением выдерживания его в воде объясняется постепенной диффузией воды внутрь материала и увеличивающимся расклинивающим действием воды между минеральным зерном и структурированной битумной пленкой.

Долговечность асфальтобетона определяет его способность сохранять вышеприведенные свойства длительное время в условиях эксплуатации [7].

Одной из значимых задач в области повышения долговечности асфальтобетона является повышение его химической стойкости в условиях воздействия агрессивных сред. Битум считается достаточно химически стойким материалом, в то же время его структура и свойства могут изменяться со временем под действием различных факторов: влаги, химических сред, почвенных микроорганизмов и т.д. [1, 2, 15, 16, 18]. Способность битумных композитов противостоять действию данных факторов исследована не достаточно полно, поэтому изучение кинетики деструкции, разработка способов повышения стойкости материалов и продление их срока службы является важной и актуальной задачей.

Цель настоящих исследований заключалась в установлении влияния климатических факторов (ультрафиолетового облучения, солевого тумана, влажного воздуха) черноморского побережья России и морской воды на физико-механические характеристики асфальтобетона.

При изготовлении образцов асфальтобетона применялись следующие материалы: щебень гранитный фракции 5–20 мм, песок карьерный природный, минеральный порошок из осадочных горных пород, битум марки БНД 60/90. В качестве модификатора использовалось поверхностно-активное вещество Олазол, который представляет собой раствор аминoв и некоторых специальных добавок в нефтяном сольвенте (ООО «Интерпромсервис», г. Саров, Нижегородская обл.).

Исследование проводилось с восемью составами асфальтобетона: 1 – щебеночный пористый, 2 – щебеночный плотный, 3 – песчаный пористый тип Г, 4 – песчаный плотный тип Г, 5 – песчаный пористый тип Г + 1 % ПАВ Олазол в вяжущем, 6 – песчаный плотный тип Г + 1 % ПАВ Олазол, 7 – песчаный пористый тип Д, 8 – песчаный плотный тип Д. Процентный состав компонентов каждой асфальтобетонной смеси подбирался в соответствии с ГОСТ 9128–97 [5]. Содержание компонентов в составах приведено в табл. 1.

 Таблица 1

Составы асфальтобетонов

Полученные образцы асфальтобетона (табл. 1) испытывались в Геленджикском центре климатических испытаний им. Г.В. Акимова (ГЦКИ ВИАМ, г. Геленджик, Краснодарский край). Образцы асфальтобетона были выдержаны в следующих условиях: открытая атмосферная площадка, атмосферная площадка под навесом и морская вода. Срок выдерживания образцов составлял 90, 270 и 720 суток. Выдержанные в вышеуказанных средах образцы, а также их контрольные варианты были испытаны с целью установления изменения основных физико-механических свойств, среди которых рассматривались: средняя плотность, водонасыщение, прочность при сжатии при (50 ± 2) °С, (20 ± 2) °С и (0 ± 2) °С и водостойкость.

Физико-механические свойства асфальтобетона и полимербитумных композитов определяются особенностями связей, возникающих между отдельными минеральными зернами и зависят от химической природы битума, толщины его пленок, покрывающих минеральные зерна, от процессов взаимодействия минеральных материалов и битума на общей поверхности раздела, а также от изменения химического состава вяжущего в процессе эксплуатации, процессов старения, определяющих структурные, адгезионные и другие свойства [19].

В табл. 2 приведены относительные показатели в сравнении с первоначальным значением физико-механических испытаний асфальтобетонных образцов, выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки, в условиях атмосферной площадки под навесом, в морской воде в течение 90, 270 и 720 суток.

Относительные показатели физико-механических свойств асфальтобетона, выдержанных в разных условиях

Для наглядности рассмотрения по результатам климатических испытаний асфальтобетона построены графики изменений относительных показателей (рис. 1–6).

В результате исследований установлено, что воздействие климатических факторов и морской воды приводит к изменению физико-механических свойств асфальтобетона.

В группе образцов, выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки (табл. 2) прослеживаются следующие зависимости: незначительное изменение плотности (рис. 1, а), уменьшение показателя водонасыщения у состава 4 к 720 суткам на 9 % (рис. 1, г), снижение водостойкости (рис. 3, г). Выявлено снижение прочности при 50 °С у всех составов на 3–20 % (рис. 2, а). Наибольшее снижение прочности к 720 суткам при 50 °С наблюдается у составов 4 и 6 на 11 и 20 % соответственно. Прочность асфальтобетонных образцов при 20 и 0 °С также снизилась, однако у составов 4 и 6 выявлена стабилизация значений прочности при 20 °С к 720 суткам (рис. 2, г, 3, а). Наиболее стойкими к воздействию открытой атмосферной площадки составами являются 4, 6 и 7.

В группе образцов, выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки под навесом (табл. 2), прослеживаются следующие изменения: незначительное изменение плотности (рис. 1, б), увеличение водонасыщения, особенно у составов 6 и 7 на 220 и 64 % соответственно (рис. 1, д). Также наблюдается снижение прочности образов при 50, 20 и 0 °С (рис. 2, б, д, 3, б). Наибольшее снижение прочности выявлено у состава 6 при 50 °С на 35 % и состава 5 при 20 °С на 24 %. Также установлено повышение водостойкости у состава 2 на 14 % (рис. 3, д). Стоит отметить, что к 270 суткам выдерживания в данных условиях среды у составов 4, 6 и 7 наблюдается стабилизация показателя водостойкости (рис. 3, д). Асфальтобетонные образцы, выдержанные под навесом, являются наименее стойкими, ввиду снижения их прочности и повышения водонасыщения. Относительно стойкими являются составы 4 и 5, где выявлена стабилизация значений прочности при 0 °С, состав 2, где установлено повышение показателя водостойкости и состав 6, где установлена стабилизация показателя водостойкости.

В группе образцов, выдержанных в условиях морской воды (табл. 2) установлено незначительное изменение плотности (рис. 1, в), снижение водонасыщения у составов 1, 3 и 4 на 2, 13 и 44 % соответственно (рис. 1, е). Наблюдается незначительное повышение прочности при 50 °С к 720 суткам выдерживания у состава 6 (рис. 2, в). У состава 5 установлено повышение прочности при 50 °С к 270 суткам на 17 % и снижение на 34 % к 720 суткам выдерживания. При 20 °С выявлено снижение прочности у всех составов на 45–73 % (рис. 2, е). При 0 °С наблюдается также снижение прочности у составов к 270 суткам на 14–60 % (рис. 3, в). Результаты испытаний показывают, что показатель водостойкости составов 3, 6 и 7 повышается к 270 суткам на 3–6 % и снижается у составов 3 и 7 к 720 суткам выдерживания в морской воде на 15–20 % (рис. 3, е). Наиболее стойким к воздействию морской воды является состав 6.

Анализируя влияние климатических факторов на образцы, можно сделать заключение о том, что состав 4 (песчаный плотный тип Г) является одним из наиболее стойких к воздействию климатических факторов: на открытой атмосферной площадке и в морской воде выявлено снижение водонасыщения к 720 суткам, стабилизация значений водостойкости на открытой площадке к 720 суткам, стабилизация прочности при 20 °С к 720 суткам выдерживания на открытой атмосферной площадке и 0 °С к 90 и 270 суткам выдерживания в морской воде, также выявлено незначительное снижение прочности (6 %) при 20 °С в условиях выдерживания на площадке под навесом. Из результатов видно, что введение поверхностно-активного вещества Олазол в асфальтобетонную смесь (состав 6) приводит к повышению водонасыщения (по сравнению с составом 4), стабилизации значений водостойкости в условиях выдерживания на площадке под навесом к 90, 270 и 720 суткам и повышению в условиях морской воды на 3–6 % к 90 и 270 суткам и стабилизации к 720 стукам, кроме того выявлено повышение прочности при 50 °С к 270 и 720 суткам на 1–5 % в условиях выдерживания в морской воде, наименьший спад прочности при 20 °С к 720 суткам (45 %) среди всех других составов (49–73 %). Важно отметить, что добавление поверхностно-активного вещества Олазол к песчаному плотному асфальтобетону типа Г, который является достаточно устойчивым к старению, позволяет повысить долговечность асфальтобетона в условиях воздействия морской воды. Олазол улучшает адгезионные свойства битума, тем самым повышая физико-механические характеристики асфальтобетона с его применением.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 1. Изменение относительных показателей плотности и водонасыщения образцов асфальтобетона (составы приведены в табл. 1), выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки (а, г), атмосферной площадки под навесом (б, д) и морской воды (в, е)

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 2. Изменение предела прочности при сжатии при 50 °С и 20 °С образцов асфальтобетона (составы приведены в табл. 1), выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки (а, г), атмосферной площадки под навесом (б, д) и морской воды (в, е)

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 3. Изменение предела прочности при сжатии при 0 °С и коэффициента водостойкости образцов асфальтобетона (составы приведены в табл. 1), выдержанных в условиях открытой атмосферной площадки (а, г), атмосферной площадки под навесом (б, д) и морской воды (в, е)

Выводы по результатам исследований:

● Проведены испытания асфальтобетонов различных типов (щебеночный плотный, щебеночный пористый, песчаный плотный, песчаный пористый, асфальтобетоны с модифицирующей добавкой) в условиях воздействия переменной влажности, солевого тумана, ультрафиолетового облучения побережья Черного моря и морской воды, исследована долговечность асфальтобетонов в данных средах.

● Показаны процессы старения асфальтобетона при воздействии в течение 720 суток климатических факторов, а также установлено влияние климатических факторов на показатели плотности, водонасыщения, прочности при 50 °С, 20 °С и 0 °С и водостойкости асфальтобетона.

● Получены зависимости, показывающие изменение физико-механических показателей асфальтобетона в зависимости от условий и длительности выдерживания образцов:

– после испытаний на открытой атмосферной площадке установлено, что наиболее стойкими являются следующие составы асфальтобетона: песчаный плотный тип Г, песчаный плотный тип Г с поверхностно-активным веществом Олазол, песчаный пористый тип Д;

– после испытаний в условиях атмосферной площадки под навесом составы асфальтобетонов являются наименее стойкими, относительно стойкими можно выделить следующие составы асфальтобетона: щебеночный плотный, песчаный плотный тип Г, песчаный пористый тип Г, песчаный плотный тип Г с поверхностно-активным веществом Олазол, песчаный пористый тип Д;

– после испытаний в морской воде установлено, что наиболее стойким является песчаный плотный асфальтобетон тип Г с поверхностно-активным веществом Олазол.

● Показано, что введение в качестве модификатора поверхностно-активного вещества Олазол позволяет, несмотря на повышение водонасыщения, повысить прочность асфальтобетона в условиях выдерживания в морской воде при 50 °С в 1,8 раза (по сравнению с аналогичным составом без модификатора), при 20 °С в 1,5 раза, также повысить водостойкость в условиях выдерживания под навесом в 1,1 раза и в морской воде в 1,2 раза.

● Выявлена высокая устойчивость к старению песчаного плотного асфальтобетона тип Г с поверхностно-активным веществом Олазол, данный состав можно рекомендовать для использования в агрессивных средах.

● Результаты исследований могут быть использованы при создании долговечных асфальтобетонов.

Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-97171 «Исследования в области создания новых полимербетонов, каркасных фибробетонов, бетонов различного фракционного состава с биоцидными добавками для организации промышленного производства строительных изделий с повышенной долговечностью, биологической и климатической стойкостью на предприятиях Республики Мордовия».

Рецензенты:

Сучков В.П., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой строительных материалов, ФГБОУ ВПО «ННГАСУ», г. Нижний Новгород;

Монастырев П.В., д.т.н., профессор, директор Института архитектуры, строительства и транспорта, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», г. Тамбов.

Работа поступила в редакцию 15.04.2015.