Довговічність асфальтобетону в умовах дії агресивних середовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська державна академія залізничного транспорту

УДК 625.852

Довговічність асфальтобетону в умовах дії агресивних середовищ

Спеціальність 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Єфремов Сергій Всеволодович

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Золотарьов Віктор Олександрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедрою технології дорожньо-будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедрою технологій будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг;

кандидат технічних наук, доцент Титар Вячеслав Семенович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри будівництва і експлуатації автомобільних доріг.

Захист відбудеться « 18 » березня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.820.02 в Українській державній академії залізничного транспорту (61050, м. Харків, пл. Фейєрбаха, 7).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української державної академії залізничного транспорту (61050, м. Харків, пл. Фейєрбаха, 7).

Автореферат розісланий « 05 » лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Г. Л. Ватуля

асфальтобетон стійкість агресивний корозійний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні умови роботи асфальтобетонних покриттів відрізняються високими навантаженнями на вісь, великою інтенсивністю руху і зростаючою дією водних середовищ різної агресивності. У нормативних документах багатьох країн реакція асфальтобетону на ці дії оцінюється коефіцієнтом короткострокової і/або тривалої водостійкості. При безумовній корисності цього коефіцієнту він дає обмежену інформацію відносно прогнозування довговічності асфальтобетону і асфальтобетонного покриття: не враховуються особливості водних середовищ, обумовлені чинниками навколишнього середовища і догляду за покриттями, і особливості одночасної дії робочих навантажень і середовищ.

Склади асфальтобетону, що призначаються на основі стандартної оцінки, у багатьох випадках не забезпечують стійкість покриттів проти лущення, викришування і вибоїноутворювання. Визначення коефіцієнта тривалої водостійкості, істотно об'єктивнішого, ніж коефіцієнт короткострокової водостійкості, вимагає тривалого часу, що може привести до випуску великих об'ємів неякісних асфальтобетонних сумішей. У зв'язку з цим, актуальним завданням є вивчення довговічності асфальтобетону в умовах одночасної дії навантажень і рідких агресивних середовищ і розробка альтернативних критеріїв оцінки їх стійкості при таких діях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи є складовою частиною науково-дослідних робіт по договорах № 47-18-02 «Розробити експрес-методи оцінки якості бітуму і асфальтобетону» (номер державної реєстрації 0102U004116) і № 126/38-44-08 «Розробити методику та програмне забезпечення для визначення показника зчеплення органічних в'яжучих з використанням ЕОМ» (номер державної реєстрації 0108U002977), що виконувався за замовленням Державної служби автомобільних доріг України «Укравтодор» (здобувач виконав експериментальні дослідження).

Метою роботи є дослідження впливу рідких агресивних середовищ на довговічність асфальтобетону і встановлення закономірностей його руйнування в умовах сумісної дії цих середовищ і механічних навантажень та розробка на цій основі критеріїв оцінки і шляхів підвищення їх корозійної стійкості.

Завдання дослідження:

1. Провести аналіз рідких середовищ, що діють на асфальтобетон, вибрати найбільш поширені і найбільш агресивні середовища для експериментальних досліджень.

2. Розробити теоретичні передумови сумісної дії середовищ і механічних навантажень на руйнування асфальтобетону.

3. Виявити закономірності поверхневих властивостей на межі розділу фаз (середовище - бітум - мінеральний матеріал), показати їх вплив на довговічність асфальтобетону з урахуванням температурного чинника.

4. Показати вплив в'язкості бітумів на інтенсивність руйнуючої дії агресивних середовищ.

5. Встановити закономірності довготривалої міцності асфальтобетону, що працює в агресивних середовищах.

6. Розкрити особливості протидії асфальтобетону різної щільності і гранулометричних типів агресивним середовищам.

7. Вивчити вплив вмісту в'яжучого в асфальтобетоні на його стійкість проти дії рідких середовищ.

8. Розробити пропозиції по регулюванню складу і якості компонентів асфальтобетону з метою підвищення його корозійної стійкості, а також методи і критерії оцінки корозійної стійкості асфальтобетону.

Об'єкт дослідження. Довговічність і корозійна стійкість асфальтобетону в умовах сумісної дії на нього механічних навантажень і рідких агресивних середовищ.

Предмет дослідження. Закономірності руйнування асфальтобетону різних складів в агресивних середовищах під дією постійних навантажень.

Методи дослідження. Для встановлення особистостей роботи бітуму і асфальтобетону в умовах дії агресивних середовищ використовувались спеціальні методи визначень: довговічності (часу до руйнування під навантаженням при чистому згині) асфальтобетону; крайових кутів змочування рідкими середовищами і бітумом різних підложок на межі розділу фаз „рідина - повітря - тверда підложка”; поверхневого натягу; зчеплення бітумів з мінеральними матеріалами різної природи; дифузії середовищ в бітум; тривалої водостійкості асфальтобетону по прискореній методиці випробувань. Стандартні властивості асфальтобетону вивчалися відповідно до вимог ДСТУ Б В.2.7-89-99 «Матеріали на основі органічних в'яжучих для дорожнього і аеродромного будівництва. Методи випробувань» і ДСТУ Б В.2.7-119-2003 «Будівельні матеріали. Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній і аеродромний. Технічні умови».

Наукова новизна отриманих результатів. Теоретично розглянуто і експериментально вивчено механізм руйнування асфальтобетону, що відрізняються за гранулометричним складом, в'язкістю бітуму та його вмістом, режимом ущільнення в умовах сумісної дії механічних навантажень і агресивних середовищ в широкому температурному діапазоні:

- встановлено взаємозв'язок між крайовими кутами змочування поверхні мінеральних матеріалів різного походження рідкими середовищами і здатністю середовищ до відшарування бітумних плівок від цих підложок: вона тим більше, чим краще змочуюча здатність середовищ;

- досліджено дифузію агресивних середовищ в бітум;

- з використанням показників зчеплення бітуму з поверхнею мінеральних матеріалів у воді і у агресивних середовищах встановлено вплив природи цих мінеральних матеріалів на здатність бітуму чинити опір відшаровуючій дії середовищ;

- встановлено зниження довговічності асфальтобетону (часу його опору руйнуванню) при сумісній дії навантаження та рідких середовищ у порівнянні з руйнуванням його у повітряному середовищі;

- показано, що зі збільшенням зчеплення бітуму з мінеральними матеріалами час до руйнування асфальтобетону в рідких середовищах закономірно збільшується;

- запропоновано критерій оцінки стійкості асфальтобетону проти сумісної дії агресивних середовищ і механічних навантажень;

- розроблено метод прискореної оцінки коефіцієнта стійкості асфальтобетону в агресивних середовищах, що ґрунтується на прискоренні відшаровуючої дії рідких агресивних середовищ за рахунок підвищення їх температури.

Практичне значення одержаних результатів полягає: у встановленні чинників, що сприяють підвищенню стійкості асфальтобетону до дії агресивних середовищ і механічних навантажень при різних температурах; у визначенні взаємозв'язку показників зчеплення бітуму з мінеральними матеріалами в агресивних середовищах з часом до руйнування асфальтобетону; встановлення агресивної активності різних середовищ; у розробці методу прискореної оцінки коефіцієнта водостійкості асфальтобетону і коефіцієнта їх стійкості під дією агресивних середовищ. Отримані результати дозволяють здійснити об'єктивний вибір складових і їх кількісне співвідношення у асфальтобетонах, що працюють у конкретних експлуатаційних умовах, та оперативно попередити випуск у виробничих умовах неякісних асфальтобетонних сумішей.

Особистий внесок здобувача. Авторові належать результати експериментальних досліджень, розробка та виробнича перевірка методу прискореної оцінки водостійкості і стійкості асфальтобетону в агресивних середовищах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладені на: науковій конференції країн СНД «Колоїдна хімія і фізико-хімічна механіка природних дисперсних систем» (м. Одеса, 1993 р.); II конференції з технічної хімії „Розвиток технічної хімії в Україні” (м. Харків, ХарДАЗТ, 1997 р.); IV Міжнародній конференції «Durable and Safe Road Pavement» (Польща, м. Кельце, 1998 р.); IX Міжнародній конференції «Durable and Safe Road Pavement» (Польща, м. Кельце, 2003 г); Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожньо-будівельного комплексу Україні» (м. Київ, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Структуроутворення, технологія, властивості і довговічність органічних в'яжучих і бетонів на їх основі» (м. Харків, ХНАДУ, 2007 р.); 71^-шій науково-технічній і науково-методичній сесії ХНАДУ (м. Харків, ХНАДУ, 2007 р.); Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Современные методы строительства дорог и обеспечение безопасности движения» (Росія, м. Бєлгород, БДТУ ім. В. Г. Шухова, 2007 р.); 72^-гій науково-технічній і науково-методичній сесії ХНАДУ (м. Харків, ХНАДУ, 2008 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 18 статей, з них 14 у виданнях, що рекомендовані ВАК.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури з 187 найменувань на 20 сторінках і трьох додатків на 30 сторінках, містить 167 сторінок основного тексту, серед них 65 рисунків (27 сторінок), двадцять чотири таблиці (16 сторінок).

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, наведено основні наукові результати, показано їх практичне значення та галузь реалізації.

У першому розділі розглянуто стан наукової задачі і дано аналіз літературних джерел по ній. Головними об'єктами такого аналізу слугували роботи, в яких довговічність твердих тіл розглядається як час їх життя під навантаженням до втрати цілісності (руйнування). В цьому відношенні найбільш інформативними і фундаментальними є роботи акад. С. Н. Журкова і його школи (В. Р. Регель, А. І. Слуцкер, Е. Є. Томашевський), в яких теоретично доведено і експериментально підтверджено, що руйнування твердих тіл від металів до полімерів має кінетичний характер, що виражається в накопиченні дефектів під дією навантажень в часі. При цьому руйнування має термофлуктуаційну природу, яка полягає в тому, що руйнування обумовлене тепловими коливаннями атомів, а механічне навантаження забезпечує спрямованість руйнування і знижує енергію активації цього процесу. Узагальнений закон, що враховує вплив двох чинників руйнування описується рівнянням (1):

, (1)

де t₀ - період коливань атомів щодо положення рівноваги; U₀ - енергія активації елементарного акту процесу руйнування у відсутність напруження; - коефіцієнт, залежний від природи і структури матеріалу; K - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура. Близькими по фізичній суті до цієї теорії є експериментальні дослідження і теоретичні висновки Г. М. Бартенєва, розвинені для полімерів і органічного скла.

Відносно асфальтобетону першим принциповим аргументом на користь кінетичної теорії міцності є ступеневі залежності його міцності від швидкості навантаження, що встановлені М. М. Івановим і М. Я. Телєгіним. В кінці 60-тих років ХХ сторіччя можливість такого підходу при позитивних температурах показана у роботах В. О. Золотарьова, потім Г. Н. Кірюхіна, при низьких температурах у роботах В. С. Тітаря. Близькими до цієї проблеми є роботи А. В. Руденського. В останній час переваги та недоліки термофлуктуаційної теорії міцності стосовно до цементного каменю розглянуто А. М. Плугіним з колегами.

Кінетичний підхід до природи руйнування асфальтобетону шляхом виникнення і накопичення тріщин дозволяє якісно інакше, ніж при традиційному (визначення межі міцності), врахувати вплив робочих середовищ на його довговічність. У разі традиційного підходу вплив середовищ оцінюється послідовною дією середовища, а потім навантаження. Таким є стандартне випробування визначення коефіцієнта водостійкості, коли матеріал заздалегідь витримується у воді, а потім визначається втрата його міцності. Цей принцип визначення впливу агресивних середовищ на процес руйнування використано в роботах Ф. Ф. Цитшера, Б. С. Курінова, А. Д. Гавриленко, Ю. П. Ткачука, Е. В. Котлярського, А. В. Сєдова, О. О. Швагірєвої. У 70-тих роках ХХ сторіччя вперше виконана робота (В. О. Золотарьов із співавторами), в якій вивчався сумісний вплив навантажень і середовищ на час життя асфальтобетону під навантаженням. При малих навантаженнях цей час виявився істотно залежним від виду середовища (повітря, вода, гас). Результати цієї роботи, незважаючи на її обмеженість за умовами випробування, кількістю і якістю об'єктів, що вивчались, видам середовищ, зроблений головний висновок, що свідчить про ефективність такого підходу. На підставі аналізу літературних джерел по темі сформульовані завдання дослідження.

У другому розділі викладені гіпотетичні уявлення про довговічність асфальтобетону в умовах дії агресивних середовищ. Вони ґрунтуються на врахуванні поверхневих явищ, що супроводжують процес руйнування асфальтобетону. Головною умовою руйнування асфальтобетону в агресивних середовищах є співвідношення швидкості тріщиноутворення і швидкості розповсюдження у ньому середовища. Швидкість тріщиноутворення (руйнування) залежить від величини навантаження, що діє, і пов'язана з часом, необхідним для втрати тілом цілісності. Швидкість розповсюдження рідкого середовища визначається її змочуючою здатністю по відношенню до підложки і може характеризуватися крайовим кутом змочування и на межі розділу фаз «підложка - середовище - повітря» згідно рівнянню Юнга:

cos = (_ППв - _СП)/_СПв (2)

де _ППв, _СП і _СПв - поверхневий натяг на межі розділу фаз: підложка для рідкого середовища - повітря; середовище - підложка; середовище - повітря.

Змочування є кінетичним процесом, що протікає в часі. Відповідно до цього змочуюча здатність середовища тим більше, чим менше _ППв, чим більше _СП, чим менше _СПв. Оскільки агресивними середовищами в процесі роботи асфальтобетону в покритті є водні розчини різних речовин, а підложкою поверхня мінеральних матеріалів і бітуму, то швидкість процесів змочування може коливатися в широких межах.

Найбільш простим рідким середовищем є вода. Як полярна рідина, вона характеризується великим у порівнянні з органічними рідинами поверхневим натягом. Відповідно до механізму вибіркового змочування, який було описано П. О. Ребіндером, вона дуже добре змочує мінеральні матеріали з високою міжмолекулярною взаємодією, які вміщують тверді мінерали (кварц), гірше матеріали, які складаються з м'яких мінералів (кальцит). Її агресивна дія проявляється у витісненні плівки бітуму з поверхні кам'яного матеріалу. Агресивність води та водних розчинів різних хімічних речовин залежить від їх впливу на _СП і _СПв.

При руйнуванні асфальтобетону під дією навантажень тріщини можуть розвиватися по когезійному (рис. 1а), адгезійному (рис. 1б) або змішаному механізму (рис. 1в). Оскільки водні розчини полярні вони погано змочують неполярну поверхню бітуму і в мінімальному ступені можуть впливати на розвиток в асфальтобетоні тріщин по в'яжучому.

Активний вплив середовища на цей процес пов'язаний з необхідністю контакту середовища з мінеральною поверхнею, тобто наявністю порушень цілісності бітумної плівки. Такі порушення формуються на стадії перемішування (згідно Л. Б. Гезенцвею навіть при якісному перемішуванні до 25 % поверхні залишається непокритою бітумом), під дією навантажень (в процесі руйнування) і за рахунок проникаючої корозійної дії середовища.

Другий чинник впливу рідкого середовища на процес руйнування полягає в тому, що при попаданні в гирла тріщин вона знижує поверхневий натяг _СП відповідно до ефекту П. А. Ребіндера, знижуючи міцність підложки. Крім того, середовище, що заповнює тріщини, у випадку його гарної змочуючої здатності по відношенню до поверхні тріщини, згідно Б. Д. Дерягіну, створює ефект розклинювання, який перешкоджає лікуванню тріщин при малих швидкостях руйнування.

Ступінь впливу того або іншого чинника агресивності середовища на довговічність асфальтобетону визначається: адгезією бітуму до мінеральної підложки, пористістю асфальтобетону, товщиною бітумної плівки, її консистенцією, рівнем напруженого стану (чим більше напруження, тим більше дефектів, але тим менше час руйнуючої дії середовища), корозійною активністю середовища. Більшість таких чинників можуть призводити до зниження енергії активації процесу руйнування і призводити до скорочення часу життя асфальтобетону під навантаженням. У зв'язку з цим доцільно використовувати для оцінки руйнуючої дії коефіцієнт стійкості (К_а.с.) в середовищі у вигляді співвідношення часу до руйнування асфальтобетону при сумісній дії середовища і навантаження (t_c) до часу до руйнування на повітрі (t_Пв).

Враховуючи, що інтенсивність дії середовища пов'язана зі схемою напруженого стану асфальтобетону, для визначення запропонованого коефіцієнта доцільно випробовування при розтягу. Зважаючи на умови роботи асфальтобетонного покриття і практичну складність забезпечення такої схеми напруженого стану, в експериментальних дослідженнях використана схема чистого згину.

У третьому розділі розглянуті методи і матеріали, що використані у дослідженнях.

Окрім стандартних методів випробувань органічних в'яжучих і бетонів на їх основі були використані спеціальні, розроблені в Харківському автомобільно-дорожньому інституті (ХАДІ), методи і оригінальні прилади з визначення: часу до руйнування асфальтобетону при чистому згині (t); крайового кута змочування (И); зчеплення (С_ц) в'яжучого з мінеральною поверхнею; проникнення середовищ в бітум. Створено і використано метод і прилад П. А. Ребіндера з визначення поверхневого натягу рідких середовищ. Одночасний вплив навантажень та середовищ на час до руйнування асфальтобетону при чистому згині здійснювався, навантаженням зразків-балочок відразу після занурення їх у середовище.

На основі аналізу літературних джерел в якості рідких середовищ прийняті: дистильована вода; 5 % водний розчин NaCl; 2 % водні розчини соляної (HCl) і сірчаної (H₂SO₄) кислот; 0,05 % водний розчин неіоногенної поверхнево-активної речовини ОП-10. Для дослідження поверхневих властивостей середовищ і зчеплення бітуму з мінеральними матеріалами використані: мармур, вапняк, гранодіорит, граніт, кварц. У якості в'яжучих прийняті бітуми марок: БНД 40/60; БНД 60/90; БНД 130/200 і БНД 200/300, отримані шляхом компаундування бітуму марки БНД 40/60 і гудрону Лисичанського НПЗ. Для забезпечення стабільності складу асфальтобетону використано подрібнений і розсіяний за фракціями (10ч15 мм; 5ч10 мм; 2,5ч5 мм; 1,25ч2,5 мм; 0,63ч1,25 мм; 0,315ч0,63 мм; 0,14ч0,315 мм; 0,071ч0,14 мм) граніт і вапняковий мінеральний порошок.

У четвертому розділі приведено результати досліджень: поверхневих властивостей рідких агресивних середовищ; їх дифузії в бітум; зчеплення бітуму з мінеральними матеріалами різної природи в агресивних середовищах; довговічності асфальтобетону різних гранулометричних типів, на основі різних марок і вмісту бітумів, ущільнених під тиском 10 МПа, 30 МПа і 40 МПа та випробуваних при різних температурах.

Результати досліджень поверхневих властивостей агресивних рідких середовищ (табл. 1) свідчать про закономірність, відповідно до якої пониження поверхневого натягу агресивних рідких середовищ, як правило, супроводжується зменшенням їх крайових кутів змочування И зі всіма досліджуваними поверхнями. При цьому вирішальним чинником зниження И є мінеральний склад підложок. Так, при переході від мармуру до кварцу И зменшується на 48 °.

У тісному взаємозв'язку з крайовим кутом змочування мінеральних підложок середовищем знаходиться їх зчеплення з бітумом в середовищі: чим нижче И, тим менше зчеплення (табл. 2). При цьому для всіх підложок підтверджується раніше встановлена О. І. Лисіхіною закономірність, яка полягає в тому, що зі зниженням марочної в'язкості бітумів однієї природи і технології отримання, зчеплення падає. Ступінь зниження зчеплення з кварцовим склом при переході від бітуму БНД 40/60 до БНД 130/200 знаходиться в межах 18ч29 %. Відносно стійкості плівок бітуму у середовищах на різних підложках підтверджуються відомі факти (О. І. Лисіхіна, А. С. Колбановська, І. М. Руденська), що стосуються стійкості бітумної плівки у водному середовищі: вона більше у разі основних гірських порід і менше для кислих. Найбільш активним середовищем в порівнянні з водою є розчини ПАР. Для пари „бітум БНД 130/200 - 0,05 % розчин ПАР” зчеплення знижується на 22ч27 %, а для розчинів солі і кислот це зниження знаходиться в межах 3ч9 %.

Таблиця 1 Поверхневі властивості агресивних середовищ

Таблиця 2 Зчеплення (С_ц) бітумів з різними мінеральними поверхнями в агресивних середовищах

Примітка: у знаменнику різниця між зчепленням у воді і середовищі.

Такий характер впливу середовищ на зчеплення бітумів з підкладкою значною мірою визначає закономірності зміни часу до руйнування асфальтобетону при сумісній дії навантажень і середовищ. Типова для даного дослідження залежність довговічності від величини напруження представлена на рис. 2.

Коли середовищем є вода, її руйнуючий вплив, зумовлений високою змочуючою здатністю негативно зарядженої поверхні і виникненням розклинюючого ефекту за рахунок перекривання подвійного електричного шару. Такий же, але посилений дифузією іонів солі у дефекти структури асфальтобетону, механізм може мати місце і у випадку розчинів солі у воді. У випадку водних розчинів кислот приоритетним може бути фільтрація їх скрізь плівку бітуму з подальшою взаємодією з мінеральною поверхнею і витискуванням з неї плівок бітуму. Механізм дії розчинів ПАР може включати гідрофілізацію поверхні бітуму, виборче змочування поверхні мінеральних матеріалів і гетерогенний (за А. М. Плугіним) механізм адсорбції.

Наведені на рис. 2 залежності можуть бути описані ступеневим рівнянням Г. М. Бартенєва

,

запропонованим для полімерів, працюючих при температурах суттєво вищих температури їх склування. Прийнятність цого рівняння підтверджує фізичну сутність термофлуктуаційній теорії міцності по відношенню до асфальтобетонів. Співвідношення показників довговічності при випробуваннях (при напруженні 0,50 МПа) у повітрі і розчині ПАР досягає 4,5 (табл. 3). При великому напруженні (2,51 МПа) це співвідношення знижується до 2,18. Суттева залежність довговічності від напруження при випробуваннях в середовищах підтверджує доцільність використання коефіцієнта стійкості асфальтобетону у рідких середовищах (К_а.с.). Порівняння значень коефіцієнтів, отриманих при випробуваннях в різних середовищах (табл. 4), показує, що їх розподіл за ступенем руйнуючої дії на асфальтобетони різних гранулометричних типів повністю відповідає їх розподілу за значеннями зчеплення бітумної плівки з мінеральними підложками (табл. 2). Коефіцієнт К_а.с є узагальнюючою характеристикою впливу середовища на зниження довговічності асфальтобетону. У той же час механізм цього впливу залежить від виду середовища та характеру її взаємодії з підложкою.

Коефіцієнти стійкості в агресивному середовищі пов'язані також з крайовим кутом змочування середовищем мінеральної підложки (рис. 3). Такий характер впливу агресивних середовищ вказує на його безпосередній зв'язок з поверхневими властивостями і явищами на межі розділу фаз: «мінеральна підложка - бітум - агресивне середовище» і свідчить про справедливість зроблених теоретичних припущень.

Таблиця 3 Довговічність асфальтобетону типу «Б» з різним вмістом бітуму БНД 40/60 в агресивних середовищах при температурі випробувань 21 °С

Таблиця 4 Вплив агресивних середовищ на довговічність асфальтобетону при напруженні 1 МПа

З урахуванням викладених механізмів дії середовищ, розглянуто їх вплив на довговічність асфальтобетонів різних складів. Важливішою складовою асфальтобетону є бітум. Загальна тенденція зміни К_а.с. із збільшенням пенетрації однакова для всіх середовищ (рис. 4). Значення К_а.с. істотно зменшується. Це зменшення складає для асфальтобетону на бітумі БНД 40/60 і БНД 130/200 у випадку для випробування у воді 0,11; у розчині NaCl 0,15; у розчині НСl 0,19; у розчині H₂SO₄ 0,12; у розчині ОП-10 0,13. Воно якісно і досить добре кількісно співпадає з тенденцією зменшення зміни зчеплення бітумів цих марок з гранітом. Кількісні відхилення об'єктивні, оскільки асфальтобетон включає мінеральні матеріали з кислої (граніт) і основної (вапняк) порід, а умови міграції середовищ у разі моделі (підложка з шаром бітуму) і асфальтобетону істотно різні. Крім того, зниження К_а.с. у разі бітумів різних марок може бути пов'язано і із зниженням оптимального вмісту бітуму на 1 % при заміні в'язкого бітуму малов'язким. Це підтверджується даними табл. 3, в якій показано як зменшення вмісту бітуму однієї марки на 1 % знижує К_а.с. у випадку: води на 0,07; розчину NaCl - 0,24; розчину НСl - 0,29; розчину H₂SO₄ - 0,22; розчину ОП-10 - 0,21.

Значне зниження К_а.с. у разі кислотного середовища може бути пов'язано з включенням в механізм руйнування проникаючої здатності кислот (рис. 1г). Випробування на проникнення середовищ крізь бітумну плівку товщиною 100 мкм показали, що середовища з рН>6 не дифундують крізь бітумну плівку на протязі 60 діб. У той же час водні розчини кислот просочувались крізь плівку бітуму БНД 40/60 із швидкістю 3,7 мкм/добу, а в бітум марки БНД 60/90 - 7,1 мкм/добу. Крім того, у разі проникнення кислот в асфальтобетон, можлива, їх взаємодія з мінеральним порошком (СаСО₃), що може привести до утворення водорозчинних зон, що містять СаSO₄ і CaCl₂, це може привести до розпушування зони контакту і істотно знизити довговічність асфальтобетону. Найбільше зниження довговічності у разі середовища з поверхнево-активною речовиною, може бути пов'язано з активним змочуванням, у порівнянні з іншими середовищами. В цьому випадку значення поверхневого натягу середовища і бітуму стають близькими, молекули ПАР покривають вуглеводневими радикалами бітум, а міжфазний поверхневий натяг на межі розділу фаз „бітум - підложка” сприяє відшаровуванню середовищем бітуму від підложки.

Пористість асфальтобетону є одним з чинників зниження довговічності, оскільки з її зростанням поліпшуються: доступ середовища в пори бетону; умови змочування нею тріщин і технологічних дефектів; проникнення середовища крізь бітумну плівку. Роль цього чинника поширюється у разі зменшення вмісту бітуму (табл. 3) і у разі зростання вмісту щебеня (табл. 4). Однак при цьому зростає товщина плівки на поверхні кам'яних матеріалів. Ці два конкуруючі чинники можуть привести до непередбачених змін К_а.с. До суперечливих результатів оцінки призводить ущільнення асфальтобетону під різним тиском (табл. 5). Асфальтобетон типу «А» на бітумі БНД 200/300, ущільнений під тиском 10 МПа, навіть при підвищеному водонасиченні, залишається стійким у всіх прийнятих середовищах (К_а.с. змінюється в межах від 0,74 до 0,58), порівняно з асфальтобетоном, ущільненим під тиском 30 МПа (К_а.с. змінюється в межах від 0,44 до 0,14).

Таблиця 5 Показники стійкості асфальтобетону типу «А» і «Б» на бітумі марки БНД 200/300 і типу «Б» на БНД 40/60, ущільнених при 10 МПа і 30 МПа (температура випробувань 21 °С)

Це ж відноситься і до асфальтобетону типу «Б» на тому ж малов'язкому бітумі. В цьому випадку значення К_а.с. для асфальтобетонів, ущільнених під тиском 10 МПа, коливались в межах 0,76ч0,35, а ущільнених під тиском 30 МПа - в межах 0,58ч0,23. В той же час значення стандартного коефіцієнта водостійкості асфальтобетону, ущільненого великим тиском, є істотно вищім за те, що притаманне асфальтобетону, ущільненому при 10 МПа (0,81 проти 0,72). Цей парадоксальний результат може бути пояснений подрібненням зерен щебеня при великому тиску, що приводить до виникнення тріщин та полегшує доступ середовищ до межі розділу фаз «бітум - підложка». Таке зниження К_а.с. відбувається на тлі набагато більших абсолютних показників довговічності асфальтобетону, отриманого при більшому тиску і випробуваного як на повітрі, так і в середовищах.

При високій марочній в'язкості бітуму (БНД 40/60) і ущільненні тиском 30 МПа ситуація докорінно змінюється: значення К_а.с. асфальтобетону, ущільненого більшим тиском, вище за те, що відповідає недостатньо ущільненому асфальтобетону. Зокрема, у разі водного середовища це - 0,81 проти 0,72. Стандартні коефіцієнти водостійкості в цьому випадку також вище: 0,86 проти 0,77. Характерно, що для визначення стандартного коефіцієнта необхідно 15 діб, а для запропонованого 5 діб.

У реальних умовах асфальтобетон працює в широкому діапазоні температур. Стандарт припускає, що довговічність асфальтобетону можна прогнозувати за значеннями показників міцності при 0 °С, 20 °С і 50 °С. При цьому впливу середовища при температурах 0 °С і 50 °С не береться до уваги. У той же час в термофлуктуаційній теорії міцності твердих тіл температура розглядається як найважливіший чинник руйнування, що визначає довговічність. Відносно асфальтобетону, як термопластичного матеріалу, пониження температури приводить до переходу його з вязкоупругого в крихкий стан, внаслідок зміни сил адгезійних і когезійних зв'язків. При постійному напруженні це позначається на значеннях довговічності асфальтобетону: при однаковому напруженні вона зменшується з підвищенням температури.

Вплив середовища позначається тим більше, чим вище температура. При температурі 50 °С дія середовища знижує довговічність в 3,3 разів. Зі зниженням температури її вплив зменшується і при 0 °С практично не виявляється. З цього можна зробити висновок, що обробка асфальтобетонних покриттів розчинами солей при низьких температурах не приводить до руйнування покриттів. Ці розчини і суміші впливають в період відлиги. Завчасне очищення покриттів може попередити їх корозійне руйнування.

На підставі результатів виконаних досліджень розроблено метод прискореного визначення коефіцієнта водостійкості асфальтобетону, що базується на врахуванні температурно-часової залежності зчеплення бітумної плівки з підложкою у водному середовищі. Метод викладено в Методичних вказівках «Експрес-метод визначення водостійкості асфальтобетонів дорожніх та аеродромних» МВ 218-02071168-607:2007 та включено в проект Зміни № 1 ДСТУ Б В.2.7-119-2003, який знаходиться на затвердженні в „Мінрегіонбуд”.

В процесі виконання досліджень розроблена методика автоматизованого прискореного і більш точного, ніж передбачено в ДСТУ Б В.2.7-81-98, визначення зчеплення бітуму з підложкою. Методика затверджена Технічною радою Державної служби автомобільних доріг України як «Методика по визначенню показника зчеплення бітумних в'яжучих з поверхнею скла та кам'яних матеріалів з використанням ЕОМ» М 218-02071168-651:2008.

Запропонований коефіцієнт стійкості асфальтобетону в рідких агресивних середовищах (К_а.с.) при одночасній дії навантажень дозволяє кількісно визначити вплив середовища на довговічність асфальтобетону. Визначення цього коефіцієнту вимагає в 34 рази менших часових витрат порівняно з тими, які необхідні при визначенні міцності асфальтобетону відповідно до діючого стандарту.

ВИСНОВКИ

1. На підставі теоретичного аналізу і експериментальних досліджень показана можливість використання принципових положень термофлуктуаційної теорії міцності твердих тіл для пояснення механізму руйнування асфальтобетону при одночасній дії на нього навантажень і рідких агресивних середовищ. Відповідно до цього в якості критерія довговічності асфальтобетону пропонується прийняти час від початку його завантаження при чистому згині до руйнування. Вплив агресивних середовищ на довговічність асфальтобетону може оцінюватись за коефіцієнтом (К_а.с.), що є відношенням часу до його руйнування в середовищі до часу до руйнування на повітрі при заданому напруженні.

2. Агресивні середовища знижують довговічність асфальтобетону за рахунок відшаровування бітумної плівки від поверхні мінеральних матеріалів, тобто за рахунок подолання її зчеплення з поверхнею. Опір руйнуючій дії середовищ тим менше, чим менше крайовий кут змочування середовищем мінеральної підложки і плівок бітуму. Дифузія агресивних середовищ крізь шар бітуму посилюється у разі пониження рН середовища (менше 6), зниження консистенції бітуму, зменшення товщини плівки бітуму.

3. Вивчені середовища за своєю агресивністю розподіляються таким чином: розчини ПАР, сірчаної кислоти, соляної кислоти, хлориду натрію, вода. У такій же послідовності розподіляються і показники зчеплення плівки бітуму з підложкою у цих середовищах. Підвищену стійкість у вивчених середовищах (окрім розчинів кислот) проявляють плівки бітуму на поверхні карбонатних кам'яних матеріалів (вапняк, мармур), меншу - на поверхні кислих кам'яних матеріалів (граніт, гранодиорит, кварцит). Зчеплення бітумів з підкладкою залежить від їх консистенції. У всіх середовищах зчеплення тим більше, чим вище марочна в'язкість бітумів (менше пенетрація) однієї природи, отриманих за однією технологією, що обумовлено підвищеним вмістом в них адгезійно-активних смол і асфальтенів, і чим нижче температура, що пов'язане з посиленням міжмолекулярних зв'язків на межі розділу фаз.

4. Залежності довговічності асфальтобетону при сумісній дії агресивних середовищ і навантажень, також як аналогічні залежності на повітрі в області позитивних температур, підкоряються ступеневому рівнянню термофлуктуаційної теорії міцності твердих тіл Г. М. Бартенєва - С. М. Журкова. Постійні цього рівняння дозволяють оцінити рівень довговічності для конкретного об'єкту і її чутливість до діючих напружень, і агресивних середовищ. У разі кислотних середовищ має місце їх проникнення крізь плівку бітуму, що може впливати на характер залежностей довговічності від напружень в області їх малих значень.

5. Вплив середовищ на довговічність асфальтобетону головним чином обумовлений якістю зчеплення бітуму з мінеральною підложкою. Кінетична сутність сумісної дії механічних напружень і робочих середовищ проявляється за ступенем зниження довговічності залежно від рівнів напруженого стану. З пониженням рівня напруженого стану внесок середовищ в руйнування асфальтобетону зростає, оскільки середовища встигають змочувати стінки тріщин, заповнювати тріщини і сприяти їх розвитку відповідно до ефекту П. О. Ребіндера. При високих напруженнях або швидкостях деформації агресивний вплив середовищ виявляється у меншій мірі. При великих швидкостях руйнування вплив середовищ на довговічності асфальтобетону усувається.

6. Склад, структура і стан асфальтобетону є активними чинниками посилення або ослаблення дії агресивних середовищ на довговічність асфальтобетону. Прояв агресивної дії середовищ на довговічність асфальтобетону зменшується: з підвищенням щільності асфальтобетону за рахунок кращого ущільнення або збільшення змісту бітуму; із застосуванням бітумів підвищеної в'язкості; з підвищенням адгезійної взаємодії між бітумом і підложкою; з використанням асфальтобетону щільної текстури, тобто з послідовним переходом від асфальтобетону типу «А» до типів «Б», «В» і «Г»; при роботі асфальтобетону при низьких температурах, близьких до нуля.

7. Відповідність результатів і тенденцій зміни зчеплення бітуму з твердою підложкою і довговічності асфальтобетону в різних середовищах і обумовленість довговічності адгезійним процесами, що протікають на межі розділу фаз між бітумом і поверхнею мінеральних матеріалів, свідчить про теоретичну обґрунтованість і практичну корисність використання в якості критерія оцінки опору асфальтобетону дії рідких середовищ запропонованого коефіцієнта К_а.с.. З урахуванням цього розроблені метод оцінки визначення цього коефіцієнту і метод прискореної оцінки довготривалої водостійкості асфальтобетону.

8. Результати досліджень покладені в основу нормативних документів, затверджених Технічною радою Державної служби автомобільних доріг України: «Експрес-метод визначення водостійкості асфальтобетонів дорожніх та аеродромних» МВ 218-02071168-607:2007 та «Методика по визначенню показника зчеплення бітумних в'яжучих з поверхнею скла та кам'яних матеріалів з використанням ЕОМ» М 218-02071168-651:2008. Вони використовуються у учбовому процесії при читанні курсів «Будівельне матеріалознавство» та «Фізико-хімічна механіка дорожньо-будівельних матеріалів».

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Єфремов С. В. Взаємозв'язок довготривкої міцності асфальтобетонів з поверхневими властивостями агресивних рідин / Єфремов С. В., Золотарьов В. О. // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Київ, УТУ. - 1994. - Вип. 52. - С. 98102.

Особистий внесок автора - виконання експериментальних досліджень і аналіз отриманих результатів експерименту.

2. Жданюк В. К. До питання про вплив походження кам'яних матеріалів на кути змочування їх поверхні / Жданюк В. К., Єфремов С. В. // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Київ, УТУ. - 1997. - Вип. 54. - С. 107110.

Особистий внесок автора - визначення крайових кутів змочування і систематизація отриманих результатів експерименту.

3. Золотарёв В. А. Влияние температурно-временного фактора на водостойкость асфальтовых систем / Золотарёв В. А., Ефремов С. В. // Сборник трудов по технической химии. Киев. - 1997. - С. 402405.

Особистий внесок автора - виконання експериментальних досліджень і аналіз отриманих результатів експерименту.

4. Zolotarev V. A. Durаbility of asphalt concrete at stаtic creep test / Zolotarev V. A., Efremov S. V., Goncharenko F. P. // Proceеdings of the fifth international Rilem symposium MTBM «Mechanical test for bituminous materials». Lyon, France. - 14-16 mai 1997. - Р. 255261.

Особистий внесок автора - визначення і систематизація поверхневих властивостей агресивних середовищ; виконання випробувань з визначенням часу до руйнування асфальтобетону.

5. Zolotarev V. A. Time and temperature influence on asphalt concrete water-resistance / Zolotarev V. A., Efremov S. V. // IV international conference «Durable and Road Pavement». Kielce, Poland - May 1998. - Р. 177182.

Особистий внесок автора - виконання експериментальних досліджень.

6. Гнатенко Г. Ф. Досвід використання поверхнево-активних речовин для підвищення водостійкості асфальтобетонного покриття / Гнатенко Г. Ф., Єфремов С. В., Жданюк В. К., Золотарьов В. О. // Автошляховик України. - 1999. - № 1. - С. 3839.

Особистий внесок автора - визначення і систематизація поверхневих властивостей бітуму; виконання випробувань асфальтобетонних сумішей і вирубок.

7. Соломенцев А. Б. Повышение смачиваемости материалов битумом с добавками класса имидазолинов / Соломенцев А. Б., Золотарёв В. А., Круть В. В., Ефремов С. В. // Известия ВУЗов “Строительство и архитектура” - 1999. - № 8 - С. 4345.

Особистий внесок автора - визначення і систематизація крайових кутів змочування скла бітумами.

8. Золотарёв В. А. Зависимость водостойкости асфальтобетона от температуры и времени / Золотарёв В. А., Ефремов С. В. // Вестник ХГАДТУ. - 2000. - Вып. 12-13. - С. 145147.

Особистий внесок автора - визначення і систематизація крайових кутів змочування мінеральних поверхонь бітумом і зчеплення з ними; виконання експериментальних досліджень асфальтобетону.

9. Золотарёв В. А. Смачивание как фактор, определяющий температуры перемешивания асфальтобетонных смесей / Золотарёв В. А., Писанко А. А., Ефремов С. В., Пыриг Я. И., Галкин А. В. // Вісник ДДАБА. - 2002. - Вип. 1(32). - С. 1721.

Особистий внесок автора - визначення і систематизація поверхневих властивостей бітуму.

10. Zolotarev V. A. On a necessity of taking into account the wetting phenomenon whon softing the mixing temperature of the asphalt concrete mixtures / Zolotarev V. A., Zinchenko V. N., Yefremov S. V., Pyrig Ya. I., Halkin A. V. // Proceeding IX international Conference “Durable and Safe Road. Pavements.” - Kielce, Poland. - May 2003. - Р. 221226.

Особистий внесок автора - визначе...