Особенностью строения асфальтобетонов, работающих в дорожных конструкциях, является существование большого количества дефектов в виде микротрещин, пор, каверн и т.д. Они создают концентрацию внутренних напряжений и способствуют развитию процессов разрушения асфальтобетонных покрытий.
В силу неблагоприятных погодных условий, перебоев поставки органических вяжущих, ремонт асфальтобетонных покрытий не всегда удается выполнить качественно и полностью ликвидировать появившиеся разрушения. Это сказывается на сокращении межремонтных сроков службы покрытий до 4 - 6 лет и требует значительных энергетических и материальных затрат. Важным фактором эффективности и качества ремонтных работ является их надежность и долговечность. Этим достигается более полное удовлетворение потребностей автомобильного транспорта. Здесь скрыты значительные резервы повышения интенсификации работы автомобильного транспорта, прежде всего путем повышения скорости его движения, на основе значительного улучшения эксплуатационных характеристик автомобильных дорог.
Решение этой задачи будет способствовать повышению средней скорости транспортных потоков и как следствие - производительности работы автотранспорта без увеличения парка автомобилей. Для приведения дорожной сети в соответствие с требованиями автомобильного движения необходимо в несколько раз увеличить объемы ремонтных работ покрытий автомобильных дорог и значительно повысить уровень их качества. Это обстоятельство обуславливает необходимость разработки и широкого внедрения надежных технологий ремонтов автомобильных дорог.
Главное направление в совершенствовании технологии ремонта асфальтобетонных покрытий преследует своей целью улучшение адгезионных свойств, обеспечивающих прочное и устойчивое сцепление с поверхностью минеральных материалов различной природы. и межслойного сцепления в условиях пониженных температур. Поэтому при разработке новых технологий и способов применения дорожных битумов для приготовления асфальтобетонных смесей вопросы их адгезии с поверхностью минеральных материалов должны занимать центральное место. При этом под адгезией понимается связь или взаимодействие (сцепление) между поверхностями двух разнородных контактирующих тел - битума и минерального материала.
Образованию тонких битумных пленок на минеральной поверхности предшествует ее смачивание битумом, величина которого определяется главным образом природой минерального материала и молекулярно - поверхностными свойствами битума - его поверхностным натяжением. Появлению тонких пленок битума в обычных условиях (традиционная технология приготовления асфальтобетонных смесей) способствует повышение температуры, введение пластификаторов, увеличение длительности перемешивания смеси, что ведет к повышению энергозатрат, снижению производительности и, в ряде случаев, ухудшению физико - механических характеристик получаемого материала. При этом наиболее эффективным является способ, предусматривающий снижение поверхностного натяжения битума, что легко можно обеспечить переводом битума во вспененное состояние путем смешения горячего вяжущего с влажным минеральным материалом. Таким образом, вспенивание битума облегчает (интенсифицирует) процесс смачивания минеральной поверхности и за счет этого может повысить их адгезию.
Адгезия битумов с минеральной поверхностью будет зависеть в основном от наличия высокомолекулярных ПАВ и условий их адсорбции на межфазной поверхности "Битум - минеральный материал".
В соответствии с правилом Траубе [1], адсорбция высокомолекулярных асфальтенов на межфазной поверхности выше, чем других групп соединений битума, причем она возрастает с увеличением их молекулярной массы. Кроме того, высокая адсорбционная способность асфальтенов по сравнению с другими компонентами битума объясняется также их более ароматическим характером. Однако большая концентрация асфальтенов в битуме и присутствие других групп высокомолекулярных соединений существенно осложняют процесс адсорбции. При этом наряду с адсорбцией асфальтенов на межфазной поверхности могут адсорбироваться смолы и углеводороды [1]. В случае перевода битума во вспененное состояние этих осложнений при контакте с поверхностью минеральных материалов не возникает.
Во вспененном битуме адсорбционный слой на границе раздела фаз "битум - пар" уже насыщен асфальтенами. При контакте пленок битумной пены с минеральной поверхностью асфальтены будут адсорбироваться уже на ней. В этом случае поверхность минерального материала сохраняет и усиливает структурные изменения в поверхностном слое битума, вызванные его вспениванием.
Таким образом, благодаря концентрации асфальтенов на поверхности битумных пленок адгезия вспененного битума с минеральной поверхностью при прочих равных условиях всегда будет выше адгезии того же битума, не подвергнутого предварительному вспениванию. Вспенивание битума можно рассматривать как способ повышения его активности к взаимодействию с поверхностью минерального материала, как способ направленного использования ПАВ, которые имеются в битуме. Этот способ может обеспечить боле высокую адгезию битума с минеральной поверхностью при меньшей длительности перемешивания смеси и более низкой температуре. Кроме того, минеральные составляющие не подвергаются сушке и нагреву, что значительно снижает энергозатраты при приготовлении асфальтобетонных смесей.
В то же время, благодаря вспениванию очень большого (в 2 и более раза) повышения адгезии битума с поверхностью минеральных материалов не произойдет, однако увеличение сцепления на несколько единиц и даже десятков процентов вполне реально. Подобное улучшение свойств битума в обычных условиях достигается использованием дополнительных дорогостоящих ПАВ, усложняющих технологию приготовления и повышающих стоимость асфальтобетона. В случае же предварительного вспенивания битума эффект сцепления обусловлен теми ПАВ, которые входят в состав самого битума.
Как правило, прочность сцепления битумных пленок с поверхностью минерального материала может зависеть от многих случайных факторов, а также от метода ее оценки. Показатели прочности сцепления органических веществ с поверхностью оценивают различными методами, особенности которых зависят от специфики работы клеевых соединений. Относительно асфальтобетона, оценка устойчивости пленки битума на поверхности минерального зерна производится визуально по методике, основанной на отслаивающем действии воды [2]. Такой метод не позволяет количественно установить величину показателя сцепления. В связи с этим, для определения величины сцепления вязкого и вспененного битума к поверхности минерального материала нами был использован метод красителей.
Оценка показателя сцепления методом красителей заключается в отслаивании битумной пленки от поверхности минерального материала под воздействием воды и определения величины покрытой битумом поверхности материала по адсорбции красителя метиленового голубого, обладающего способностью избирательно адсорбироваться на поверхности зерна, не адсорбируясь на битуме.
Нами проводилась оценка сцепления вяжущего в вязком и вспененном состоянии к поверхности отсева дробления кварцитопесчаника и гранита (в чистом виде и с добавлением минерального порошка). Согласно полученным данным наибольшая сохранность пленок битума на поверхности минерального материала наблюдается при вспенивании битума 3 % воды (от массы битума) и 4 % (от массы минерального материала), что согласуется с данными [3].
При использовании вспененного битума имеет место более равномерное распределение вяжущего в смеси, сопровождающееся покрытием всех минеральных частиц тонкой битумной пленкой. Однако, объяснение этого явления объясняется не снижением вязкости битума во вспененном состоянии, так как она находится в тех же пределах, что и вязкость обычного битума. Лучшее обволакивание минеральных зерен битумом будет достигаться при быстром смачивании им поверхности минерального материала. Смачивание минерального материала вяжущим будет тем лучше, чем ниже его поверхностное натяжение [1], поэтому применение вспененных битумов предпочтительнее, так как при вспенивании поверхностное натяжение битума снижается. Кроме того, повышенная адгезия вспененного битума с минеральной поверхностью обусловлена предварительной концентрацией активных соединений в поверхностном слое вяжущего, что предопределяет повышение его активности к химическому взаимодействию.
Применение вспененного битума обеспечивает более качественную обработку минеральной смеси и более прочное закрепление вяжущего на поверхности минеральных материалов, независимо от схемы подачи компонентов в мешалку смесительного агрегата. По - видимому, усилия, возникающие в пене при контакте с минеральной поверхностью и последующем распаде, значительно раньше, чем в случае использования обычного битума становятся соизмеримыми и начинают превышать силы адгезии мелкодисперсных частиц к поверхности крупного заполнителя. При этом битум, выделяющийся при распаде ближайшего слоя пены, смачивает поверхность минеральных зерен тонким слоем [3], что способствует улучшению физико - механических показателей асфальтобетона, приготовленного на вспененном битуме, по сравнению с асфальтобетоном, приготовленным на вязком битуме и с использованием катионактивных ПАВ
Все вышеперечисленное позволяет рассматривать асфальтобетон на вспененном битуме, как наиболее экономичный и ресурсосберегающий способ производства асфальтобетонных смесей для строительства и ремонта асфальтобетонных покрытий.
Автор: Л.В. Похожай
Источник: Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов
