Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 29 )

Структуру асфальтобетона образует заполняющая смесь щебня или гравия с песком, скрепленная в монолит асфальтовяжущим веществом. Микроструктура асфальтового связующего состоит из дискретных частиц минерального порошка и матричного вещества - битума.

На каждом уровне структуры можно выделить следующие ее типы. Порфировая (базальная) характеризуется относительно большим количеством матричного связующего вещества, т. е. «плавающим» положением заполнителя (на макроуровне). Характерна для асфальтобетона из малощебеночных смесей,  при этом свойства заполнителя практически не оказывают влияния на свойства материала. Такую  структуру имеет литой асфальтобетон (из высокопластичных смесей). В случае контактной структуры дискретные частицы контактируют между собой через тонкие непрерывные пленки связующего. Такая структура в частности характерна для среднещебеночной асфальтобетонной смеси. Здесь в полной мере проявляются свойства заполнителя, но важны также и свойства асфальтового связующего. Контактная структура, как правило, обеспечивает наиболее высокие прочностные и другие эксплуатационные свойства материала. Законтактная структура характерна для многощебеночных смесей. Асфальтового связующего недостаточно для заполнения пор и создания непрерывной пленки на частицах минеральных компонентов. Такие асфальтобетоны имеют высокую остаточную пористость и дренирующую способность –  пропускать  воду; применяются для нижнего слоя асфальтобетонного покрытия. Наилучшая структура асфальтобетона, обеспечивающая заданный комплекс как технологических (пластичность смесей), так и эксплуатационных свойств, получается в результате оптимального совмещения необходимых типов структур  на каждом уровне. 

Пористость ухудшает долговечность асфальтобетона в связи с возрастанием водопоглощения, снижением морозостойкости и химической стойкости.

Свойства асфальтобетонов зависят от состава, структуры и свойств составляющих материалов. Выбирают материалы в зависимости от типа асфальтобетона и его назначения в дорожной одежде. В любом случае материалы должны соответствовать техническим требованиям, обусловленным ролью в асфальтобетоне.

Механические свойства асфальтобетона в целом сильно зависят от температуры. Он может вести себя как упругохрупкое (при отрицательных температурах), как упруговязкопластичное (при обычных температурах), как вязкопластичное тело (при повышенных температурах).

Прочность асфальтобетона определяют при нескольких температурах (25, 0 и 50 °С) и с заданной скоростью нагружения. При испытании на сжатие используют цилиндрические образцы размерами (диаметр и высота) 50,5×50,5 или 71,4×71,4 мм (в зависимости от крупности заполнителя). Прочность асфальтового связующего и асфальтобетона в целом во многом зависит от фазового отношения, т. е. соотношения битума и минерального порошка (Б/П), которое определяет при необходимом уплотнении смеси пористость материала после отвердевания. При оптимальном Б/П весь битум адсорбирован в виде тонких непрерывных пленок на поверхности частиц минеральных компонентов (прежде всего порошкообразного наполнителя), и асфальтовое связующее имеет наибольшую прочность. Кроме того, прочность асфальтобетона зависит от содержания и вида песка и щебня, температуры и т. д. При температуре 20 °С предел прочности при сжатии асфальтобетона обычно составляет около 2,5 МПа, а при растяжении – в 6-8 раз меньше. С повышением температуры предел прочности при сжатии снижается до 1,0-1,2 МПа (при 50 °С). Для повышения прочности асфальтобетона необходимо применять щебень  и дробленый песок вследствие их шероховатой поверхности и улучшения сцепления с битумом  (в случае гравия и природного песка прочность будет ниже). Относительное содержание компонентов должно обеспечивать наиболее плотную структуру материала, т. е. минимальную остаточную пористость.

Достижение наибольшей прочности вступает в определенное противоречие с трещиностойкостью асфальтобетона. Трещиностойкость, т. е. сопротивляемость асфальтобетона температур­ным растягивающим напряжениям, может быть обеспечена применением возможно менее вязких битумов, деформативность которых сохраняется при низких температурах. Поэтому выбор показателей механических свойств зависит от условий эксплуатации. В теплом климате используют асфальтобетоны из менее пластичных смесей, в холодных условиях – асфальтобетоны с повышенной  трещиностойкостью - из более пластичных смесей, а также теплые и холодные асфальтобетоны.

Важными свойствами асфальтобетона являются также водостойкость, морозостойкость, износостойкость. Водостойкость оценивается отношением пределов прочности при сжатии образцов в водонасыщенном (в том числе при длительном водонасыщении) и сухом состояниях при температуре 20 °С. О водоустойчивости асфальтобетона также судят по величине набухания при насыщении образцов водой. Водостойкость асфальтобетона должна быть в пределах 0,6-0,9; величина набухания в воде не более 0,5 % (по объему).

В зависимости от показателей физико-механических свойств и применяемых материалов асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны подразделяются на марки. Показатели физико-механических свойств плотных асфальтобетонов из горячих смесей различных марок для II и III дорожно-климатических зон должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.

Определение состава асфальтобетона. Проектирование асфальтобетона – это комплексный процесс, позволяющий правильно определить его состав с учетом работы в условиях воздействия транспортных средств и окружающей среды. В зависимости от этого назначают вид и тип асфальтобетона, определяют требования, предъявляемые к асфальтобетонной смеси и асфальтобетону. Проектирование асфальтобетона включает в себя три этапа.

На первом этапе производят выбор исходных материалов с учетом их стоимости и дефицитности. Целесообразно использовать местные материалы и вторичные ресурсы (отходы других отраслей промышленности – шлаки, золы и др.). Привозные материалы необходимо применять только в случае невозможности замены их местными или  как дополнение к местным материалам, например с целью их обогащения.

Таблица 3. Показатели физико-механических свойств плотных асфальтобетонов из горячих смесей для II и III дорожно-климатических зон

Показатель	Нормы для асфальтобетонов из смесей марок
I	II	III
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре: 20°С, для асфальтобетонов всех типов, не менее 50°С, для асфальтобетонов типов,  не менее: А Б В Г Д 0°С, для асфальтобетонов всех типов, не более Водостойкость, не менее Водостойкость при длительном водонасыщении, не менее	2,5 1,0 1,2 – 1,3 – 11,0 0,90 0,85	2,2 0,9 1,0 1,2 1,2 1,3 12,0 0,85 0,75	2,0 – 0,9 1,1 1,0 1,1 12,0 0,75 0,65

На втором этапе производят собственно определение состава асфальтобетона, включающее: а) расчет зернового состава минеральной части;
б) определение оптимального количества битума.

Третий этап проектирования – это приготовление и испытание образцов из контрольной смеси и уточнение состава асфальтобетона.

Расчет минеральной части асфальтобетона заключается в определении количества фракций минеральных компонентов, их оптимального соотношения между собой, а также соотношения самих компонентов (щебень, песок, минеральный порошок) для достижения наибольшей плотности смеси, т. е. наиболее плотной упаковки зерен и частиц. Применяют смеси с непрерывной (в смеси существуют в определенном соотношении зерна соседних фракций с близкими  размерами) и прерывистой гранулометрией (когда отсутствуют некоторые фракции и зерна сильно отличаются по размерам). На практике  наиболее плотную упаковку создают смеси с прерывистой гранулометрией, т. к. потенциальная возможность заполнения пор между крупными частицами более мелкими в смесях с непрерывной гранулометрией, как правило, не реализуется из-за трудности проникновения частиц между друг другом. Кроме того, для получения последних смесей необходимы в достаточном количестве мелкозернистые фракции заполнителя, что требует наличия крупного песка с модулем крупности выше 2,5 или высевок от отходов камнедробления для обогащения более мелких песков. В то же время асфальтобетонные смеси на основе минеральной части с непрерывной гранулометрией, как правило, более пластичны. На практике применяют смеси как с прерывистой, так и с непрерывной гранулометрией, и имеются рекомендации по зерновому составу для тех и других смесей с целью получения наиболее плотной их упаковки.

Расчет зернового состава минеральной части асфальтобетона с непрерывной гранулометрией осуществляют по кривым плотных смесей. Для этого предельные размеры зерен соседних фракций должны отличаться в  2 раза, т. е.

,

где  d1 – наибольший диаметр зерен минеральной части, устанавливаемой в зависимости от типа асфальтобетона, мм; dm – наименьший диаметр зерен, соответствующий пылеватой фракции минерального порошка (обычно 0,005 мм).

Число фракций n на единицу меньше числа размеров m, и его можно определить по формуле

.

Величина, показывающая, во сколько раз количество (массовая доля) последующей  фракции  меньше  предыдущей,  называется  коэффициентом сбега К. При К = 0,8 смесь получается с наибольшей плотностью. Поскольку подобрать именно такую смесь трудно, то рекомендуется принимать коэффициент сбега в пределах 0,7 – 0,84, при этом смеси получаются достаточно плотными. Зная размеры фракций, их количество и принятый коэффициент сбега К (0,7 и 0,84), определяют массовое количество в процентах каждой фракции по формулам