реферат скачать
 

Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

Московский Государственный

Автомобильно-Дорожный Институт

(Технический Университет)

Кафедра «Дорожно-строительные материалы»

Реферат

на тему:


«Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации»

                                                        Студент:                     Мазиев В.А.

Группа:                      5СА1

Преподаватель:       Котлярский Э.В.

                                                       

Москва 2008

Оглавление

Введение                                                                                                           3


Процессы старения асфальтобетона, его долговечность                                4


Технологическое старение битума                                                                   11


Усталостные свойства асфальтобетона                                                           12


Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации                                                                      15


Выводы                                                                                                             19


Список используемой литературы                                                                   20

Введение

Автомобильные дороги занимают важное место в развитии экономики любой страны.

С середины 20 века наибольшее распространение на автомобильных дорогах получили асфальтобетонные покрытия. Асфальтобетоном называется искусственный строительный материал, полученный в результате уплотнения специально приготовленной и рационально подобранной смеси щебня, песка, минерального порошка и битума.

Широкое применение асфальтобетонных покрытий объясняется рядом положительных качеств, а именно:

- достаточной механической прочностью;

- воспринимать упругие и пластические деформации;

- хорошим сцеплением с шинами транспортных средств, что обеспечивает безопасные условия дорожного движения;

- ровностью покрытия, обеспечивающей комфортность и бесшумность скоростного движения и удобство пассажирам;

- демпфирующей способностью, позволяющей гасить колебания и вибрацию, возникающую при движении автомобильного транспорта;

- технологичностью и ремонтопригодностью, обеспечивающей простоту выполнения ремонтных работ и устранения дефектов;

- возможностью полной механизации работ при приготовлении, строительстве и ремонте.

Покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации находится под воздействием, главным образом, двух  групп факторов – погодно-климатических  и механических, обусловленных нагрузками от транспортных средств. Под воздействием именно этих двух групп факторов происходят необратимые изменения свойств и структуры асфальтобетона в слое покрытия, снижающее его долговечность.

На прочность и долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий значительное влияние оказывают усталостные явления, вызываемые нагрузками от транспортных средств и усиливаемые неровностями проезжей части.

При оценке долговечности асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать все факторы в их комплексе (взаимосвязи), так как результат их совместного воздействия на покрытие существенно отличается от влияния каждого фактора в отдельности.


Процессы старения асфальтобетона, его долговечность

 

Асфальтовый бетон в процессе работы в дорожных покрытиях подвер­гается воздействию комплекса атмосферных факторов и во времени изме­няет свои свойства. Одной из причин разрушения асфальтобетонных по­крытий является старение битума, входящего в состав материала, что свя­зано с потерей им вязкопластических свойств. Это обуславливается испарением масел, входящих в состав битумов. Интенсивность этого про­цесса зависит от температуры их кипения, величины поверхности испаре­ния и упругости паров, насыщающих пространство. По его мнению, способ­ны испаряться масла с молекулярной массой ниже 400. Это обстоятель­ство требует экспериментального и теоретического подтверждения.

Вторым важным фактором старения органических вяжущих в асфальто­бетоне является химическое изменение компонентов битума с образовани­ем новых высокомолекулярных органических соединений. Эти изменения связаны с процессом окисления. Интенсивность этого процесса зависит от величины и совокупности действия многих факторов - теплового воздей­ствия, солнечного света, механических воздействий, действия солей ме­таллов переменной валентности (железа, меди, марганца...) и др

При старении асфальтобетона в слое дорожного покрытия под воздей­ствием кислорода воздуха, температурных условий и воды ярко прояв­ляется четыре основных стадии этого процесса: упрочнение структу­ры, ее стабилизация, начало развития деструкционных процессов и разрушение. Длительность каждой стадии, определяется многими факто­рами: технологией приготовления смесей и ее параметрами, проис­хождением, свойствами и зерновым составом минеральных материалов, характером взаимодействия вяжущего с поверхностью минеральных мате­риалов, режимом технологии уплотнения смесей, интенсивностью дви­жения транспортных средств и степенью их удельного давления на покрытие, климатическими условиями региона и др.

            Первая стадия старения асфальтобетона характеризуется его уп­рочнением, повышением водостойкости и снижением деформативных материала, которые происходят под действием уплотня­ющих нагрузок от транспортных средств, а также под воздействием погодно-климатических факторов и процессов взаимодействия битума с минеральными материалами (перераспределением активных

соединений битума в объеме битумных пленок по их толщине с повышением концентрации высоко­молекулярных соединений - асфальтенов  на границе с минеральной поверхностью), вызывающих уменьшение количества масел и увеличение количества смол и асфальтенов в асфальтобетоне, а также повышение когезии битума. Вторая стадия старения наиболее продолжительная и характери­зуется практической неизменностью показателей прочности асфальто­бетона. Однако водо- и морозостойкость этого материал на второй стадии старения снижаются.

            Третья и четвертая стадий старения характеризуются резким снижением прочности асфальтобетона, ростом его водонасыщения, уменьшением водо- и морозостойкости, которые могут привести к быстрому, разрушению дорожного покрытия. При этом четкой границы между третьей и четвертой стадиям и не существует. Для предотвращения обвального разрушения дорожного покрытия, вызванного интенсивным старением асфальтобетона, и своевременного назначения ремонтных работ с целью продления его срока службы необходимо периодически (непосредственно после изготовления и на разных стадиях эксплуатации) оценивать и прогнозировать долговеч­ность покрытия.

Представление о старении органических вяжущих основывается на тео­рии цепных химических реакций Н.Н. Семенова. Основная роль в этих

реакциях принадлежит пероксидным и гипероксидным соединениям, ко­торые образуются на начальных стадиях взаимодействия кислорода с углеводородами. Эти неустойчивые соединения распадаются на свобод­ные радикалы и дают начало новым цепям окислительных реакций. При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных углеводородов с выделением газообразных и жидких веществ (СО, С02, Н20, CH20, CH3CHOR - СООН). Ненасыщенные группы углеводородов, со­держащиеся в органических вяжущих, сравнительно легко отдают водород, который соединяется с кислородом воздуха, переводя их в еще более не­насыщенные химические соединения, которые затем уплотняются (поли-меризуются), образуя более сложные высокоуглеродистые соединения. В процессе старения изменяется групповой состав битума, что характери­зуется уменьшением масляной и увеличением смолисто-асфальтеновой составляющих (рис.1).                                                             

Рис.1 Изменение группового состава битума после старения


Эти изменения вызывают изменения структуры и свойств битума и асфальто­бетона - повышается вяз­кость, теплоустойчивость, жесткость и упругость, пони­жается пластичность. Это способствует хрупким разру­шениям асфальтобетона при низких зимних температурах.

Процесс старения ас­фальтобетона различных со­ставов в 60-е годы XX века при воздействии различных эксплуатационных факторов был исследован в ЦНИЛ Гушосдора Э.М. Ваулиным, Г.Н. Никифоровым и С.В. Шестоперовым. Было установлено, что при старении прочность асфальтобетона увеличива­ется (рис. 2), а ее 30% уве­личение вызывает резкое снижение трещиностойкости материала в зимний период.





Рис.2  Изменение прочности асфальтобетона

после длительного прогрева при температуре 90° С

В последующие годы бы­ло установлено, что интен­сивность описанных выше процессов зависит от того, каким образом прогревался битум - в объеме или в плен­ке, покрывающей минераль­ные частицы. Пленочный би­тум в асфальтобетоне стареет, при прочих равных условиях, интенсивнее. Это позволило разделить процессы старения, протекающие на технологической стадии и  аналогичные процессы в период эксплуатации. Совершенствование   технологии приготовления асфальтобе­тона привело к тому, что в последнюю четверть прошлого столетия и на современных асфальтобетонных заводах стали появляться накопительные бункера для хранения приготовленной асфальтобетонной смеси. Время хранения может составлять до 1 смены и даже 1 суток. В процессе этой технологической операции может происходить интенсивное старение битума в пленках на поверхности минеральных частиц.

В отличие от этого старение на стадии эксплуатации асфальтобетонных  покрытий происходит гораздо медленнее, а время измеряется годами.

Регулировать процессы технологического старения битума в асфальтобетоне можно использованием более термостабильных  вяжущих и обоснованием температурных режимов приготовления, доставки, укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей. Старение на стадии эксплуатации может быть замедленно при использовании соответствующих поверхностно-активных веществ.

 Процесс старения асфальтобетона на поверхности и в глубине асфальтобетонного покрытия в связи с различием действия атмосферных факторов  протекает неодинаково. В верхней части покрытия уже через несколько лет эксплуатации асфальтобетон может сильно состариться, а в нижней части асфальтобетон свои вязкоупругие свойства. Таким образом, старение асфальтобетона наибольшее влияние оказывает на нисходящее усталостное трещинообразование, что проявляется образованием продольных трещин по краям зоны полосы наката. В районах с климатическими  условиями, ускоряющими процессы старения (например, юг России), все мероприятию по замедлению старения органических вяжущих в покрытии эффективны и с точки зрения увеличения усталостной долговечности

Под долговечностью асфальтобетона обычно понимается время, в течение которого этот материал сохраняет свои основные свойства на уровне, удовлетворяющем требованиям его эксплуатации в слое дорожного покрытия.

Долговечность является важнейшей характеристикой дорожных асфальтобетонных покрытий. Долговечность асфальтобетона должна учитываться при конструировании дорожных одежд, разработке новых технологий приготовления асфальтобетонных смесей, проектировании их составов, применении модифицирующих добавок в процессе получения смесей с целью улучшения их качества. Во многих случаях долговечность асфальтобетона является главным критерием при выборе составов технологий приготовления различных асфальтобетонных смесей.

Исследованием влияния эксплуатационных воздействий на долго­вечность асфальтобетона занимались специалисты многих стран. Однако, не­смотря на многочисленные работы в этой области, которые продолжа­ются и в настоящее время, нельзя считать, что выявлены все воздейст­вия и полностью изучены механизмы их влияния на асфальтобетон.

Наоборот, по мере исследования отдельных факторов, появляются новые, ранее неизвестные, требующие более тщательного рассмотре­ния их влияния на долговечность и надежность работы асфальтобетон­ных покрытий. В зависимости от этих факторов могут меняться количе­ственные характеристики сроков службы дорожных покрытий. Эксплуа­тационные воздействия, способствующие разрушению структуры ас­фальтобетона можно условно разделить в три основные группы:

- воздействие автотранспортных средств на асфальтобетон до­рожной конструкции;

- воздействие окружающей  среды,  вызывающие снижение структурно-механических характеристик асфальтовых бетонов;

-воздействие факторов, связанных с эксплуатацией асфальтобетонных покрытий.



Рис.3 Основные эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные конструктивные слои дорожной одежды


Оценка долговечности асфальтобетона была и остается важней­шей проблемой прогнозирования его срока службы в покрытие дорож­ной одежды. Однако, несмотря на важность ■ большую значимость долговечности асфальтобетона, в настоящее время отсутствуют стандартизированные показатели, позволяющие оценивать эту характеристику, а испытания асфальтобетона с определением показателей, предусмотренных ГОСТ 9128-97 на асфальтобетон, не позволяют ее прогнозировать. Это обусловлено тем, что долговечность до­рожного асфальтобетона является комплексной характеристикой, зави­сящей от многих факторов, в числе которых климатические условия, параметры воздействия на покрытие нагрузок от транспортных средств характер конструкции дорожной одежды и свойств основания, структу­ра и особенности свойств асфальтобетонов в слое дорожного покрытия

В связи с отсутствием стандартизованных методов прогнозирова­ния срока службы асфальтобетонных покрытий и их чрезвычайной важ­ностью появилось большое число различных нестандартизованных  пока­зателей и методик, позволяющих при проведении сравнительных испы­тании оценивать долговечность дорожных асфальтобетонов.

Вот несколько их них:

а) Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по данным их визуального осмотра.  Визуальный осмотр позволяет наиболее быстро дать оценку состояния дорожных покрытий, интенсивности образования на них деформаций и разрушений. Однако этот метод при всей его простоте и удобстве наименее  точный и  используется, главным образом на стадии выборочной предварительной оценки состояния дорожных покрытий. При этом под деформацией покрытия понимается изменение  размеров или формы его поверхности без потери сплошности асфальтобетона и уменьшения его массы. Разрушение  - изменение размеров и формы поверхности покрытия при потере сплошности и изменении массы асфальтобетона. Оценка  и прогнозирование долговечности производится путем сопоставления и анализа данных с требованиями предъявляемых к покрытиям автомобильных дорог.

На основании результатов, полученных в ходе анализа при сопоставлении данных обследования покрытия с требованиями , предъявляемыми к нему, дается заключение о состоянии покрытия, прогнозе его долговечности, возможности дальнейшей эксплуатации и т.д. 

б) Оценка и прогнозирование долговечности дорожных покрытий по интенсивности их износа. Износ характеризуется потерей массы материала, отнесенной к площади оцениваемого участка. В пределах проезжей части износ покрытия происходит неравномерно. Неодинаковый износ по площади дорожного покрытия обусловлен следующими факторами: непостоянством  прочности поверхностного слоя по площади; низкой  ровностью, что приводит к ударным нагрузкам и застою воды на поверхности и т.д. Поэтому для точного определения износа покрытия необходимо проведение многочисленных измерений в пределах оцениваемого участка. Периодический контроль степени износа дорожных покрытий является непременным  условием своевременного обнаружения дефектов и назначения соответствующих ремонтных работ, позволяющих продлить срок его службы. Толщина изнашиваемого слоя определяется путем сравнения условной отметки поверхности покрытия в момент ее определения с первоначальной отметкой:

Δh = hn-1-hn


hn- отметка поверхности покрытия при последнем измерении, м;

hn-1 – отметка поверхности при  предшествующем измерении, м.

По результатам испытания дорожного покрытия на износ можно рассчитать долговечность (срок службы) этого материала по износу в слое покрытия:


Т = h0/ Δhг

h0 – максимальная величина износа слоя покрытии, допускаемая условиями его эксплуатации, см:

Δhг – величина износа покрытия за год, см.


в) Прогнозирование долговечности асфальтобетона при оценке свойств исходного битума. Данный метод учитывает тот факт, что изменение свойств асфальтобетона под воздействием природно-климатических факторов с течением времени обусловлено, главным образом, изменениями свойств битума. Сравнительная оценка влияния на битум различных факторов старения  показывает, что доминирующим является термоокислительной старение  - окисление происходящее при нагревании битума в присутствии кислорода. Для  оценки прогнозирования интенсивности старения битума широко используется метод инфракрасной спектроскопии. Об интенсивности старения битумов обычно свидетельствуют глубокие полосы в области частот  1100, 1340. 1380 см-1 (валентные колебания группы СН3), 1600 см-1 (плоскостные колебания С=С связи в бензольном кольце; их интенсивность указывает на содержание ароматических структур в битумах), 1700 см-1  (валентные колебания карбонильной группы С=О, по их интенсивности можно судить о погодостойкости  битумов) и т.д.

 

г) Прогнозирование долговечности асфальтобетона  путем  определения  его износостойкости. Долговечность дорожных покрытий в значительной мере определяется износостойкостью асфальтобетона в покрытии может выражаться в истирании (поверхностный износ), внутреннем износе и шелушении. При правильном подборе состава и соблюдении требований  технологии приготовления  асфальтобетонных смесей износ покрытия  будет определяться главным образом, истиранием его структурных элементов, т.е. в значительной степени адгезией битума с поверхностью минерального материала. Установлено. Что именно износостойкость по истиранию, в основном, определяет срок службы покрытия. Износ асфальтобетона является сложным процессом и не поддается вычислению по формулам. Для описания процессов износа асфальтобетона в взаимосвязи с комплексом воздействующих на него факторов отсутствуют даже приближенные уравнения, поэтому износостойкость  рассматривают, как самостоятельную характеристику.


Долговечность асфальтобетона в значительной степени опреде­ляется его прочностью на изгиб в весенний период. С увеличением расхода вяжущего прочность на растяжение при изгибе асфальтобето­на вначале возрастает, а затем, после максимальных значений, ко­торым соответствует оптимальное содержание битума, снижается. Эта тенденция сохраняется при любом расходе минерального порошка в асфальтобетонных смесях.

Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий во многом определяется сдвигоустойчивостью асфальтобетона в летнее время и его температурной трещиностойкостью зимой. Эти качества асфаль­тобетона могут оцениваться по пределам прочности при +50 и 0 °С. При этом асфальтобетоны на более вязком битуме (БНД40/60, БНД 60/90) характеризуются повышенной прочностью, более высокими коэффициентами водостойкости по сравнению с асфальтобетонами на битумах марок БНД 90/130 и БНД 130/200. Однако повышение прочнос­ти асфальтобетона, как правило, сопровождается снижением его трещи-ностойкости в период отрицательных температур.

Одним из основных свойств, характеризующих долговечность ас­фальтобетонных покрытий в 1-3 дорожно-климатических зонах, явля­ется морозостойкость асфальтобетона, оцениваемая потерей проч­ности материала после заданного количества циклов замора­живания-оттаивания (коэффициентом морозостойкости) и количеством переходов температуры через О °С сквозь всю его толщу. Перед ис­пытанием на морозостойкость образцы асфальтобетона насыщают во­дой. Коэффициент морозостойкости устанавливается как отношение предела прочности на сжатие при 20 °С образцов асфальтобетона после определенного количества циклов замораживания-оттаивания к пределу прочности образцов после их водонасыщения. Один цикл обычно включает замораживание при температуре -20 (-25)  С в те­чение 4 ч и оттаивание такое же время в воде при комнатной тем­пературе (+20 °С).

Страницы: 1, 2


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.