автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Закономерности механических свойств нефтяных дорожных битумов при стекловании

n ~ П f- 1 r¡ и u.l

¿ i- - • ; ИННйСТБРСТВВ ОЬ'РАЗОВШШЯ УКРАШШ

ХАРЬКОВСКИЙ ГОШАРСТВЕШШИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОШИ ТЕХНИЧЕСКИЙ

. УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МАЛЯР ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТЯНИХ ДОРРШХ БИТУМОВ ПРИ СТЕКЛОВАНИИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканий ячецой степени кандидата технических панк

ХАРЬКОВ 1033

Диссертационная работа выполнена на кафедре Технологии дороано строительных аатёрйалав Харьковского государственного аотоыобилыт-доровного технического университета,

Научный руководитель: - Заслуженный деятель науки и техники

Украины, доктор технических паук, профессор В.Й. Золотарев.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

Ведуцая организация - Государственное коммунальное подрядит специализированное предприятие по ремонту и строительству автоиобкл! них дорог города Харькова.

на заседании специализированного совета К 068.12.02 по специальност! 05.23.05 "Строительные ватсриали и изделия" Харьковского государственного автокобильно-дороаного технического университета по адресу: 310078, г. Харьков - 78, ул. Петровского, 25

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать на кия ученого секретаря^

Автореферат разослан • /" 1893г.'

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н.. доцент П.В. Космин

профессор Б.С. Радовский;

- кандидат технических наук, доцент В.С. 'Гитарь.

Защита состоится

опцпя ХПРПКТЕРИСТККЙ РЙЬОТ«

Актуальность работы. Проблема повнвення долговечности асфальтобетонов, используемых о качестве дорокных покрытий, йрляйтся актуальной как на Украине, так и за рубеюи. Уменьнение срока слусбц дз-ротшх одевд влечет за собой дополнительное увеличение затрат на ви-поли.сние реиоитних работ, а неудовлетворительное состояние дорокний одеяди не ойрспгчиваат условий безопасности двизения транспортных средс.ти.

ПсФальтобетошше покрытия перестает удовлетворять норнам. предъявлявши к доровннм одовдам не»естиага типа. по дзцм основнии причинам: нарцаецид в конструкции нине--левае;их слоен доровной одовди и дефекты непосредственно п самой асфальтобетоном покрытии. Среди дефектов значительную долю составляют трещины, особенно, характерные для северо-восточной части Украины, где средняя температура январи от от -7 до -8°С. Причини треврмообразования в асфальтобетонном покрытии иогут бить разнообразными: низкая релаксационная способность наряди с высокой «есткостьв при отрицательных температурах, недостаточная усталостная прочность, интенсивные процессы'старениа, температурные напряжения в слое из-за различия о коэффициентах термического расни-риния компонентов аасфальтобетона и иевду покрытием и основанием, высокая интенсивность двивения тя«еловег.ннх транспортных средств в зимнее нремч,..

Требования ГОСТ 9120 14 на асфальтобетон, в отношении показателя гречиноустойчивости (прочность при 0 "С при сяатии) не обеспечивают идейность таких покриткй. Комплекс стандартных испытаний битума при ) "С (ненетрация, растяяимость) 'и температура хрупкости по ГОСТ 22240 -90 в больней степени характеризует низкотемпературные свойства биту-га. Однако, и эти показатели из позволзит надеано прогнозировать по-шдение асфальтобетона при низких эксплуатационных температурах, ког-!а он, переходя в новое физическое состояние, существенно меняег вой свойства.

Основная роль в формировании хрупкости асфальтобетона прннадле-И1 вяяуцеыу в контактной зоне. Поэтому. особого внимания заслуви-авт исследования физических, механических, реологических свойств итумов и микроструктура асфальтобетона, обеспечивавших весь ком-лекс его эксплуатационных свойств.

Цвль работа. Установление закономерностей перехода дороеиых битумов в стеклообразное состоание, изучение их свойств при стекловании и разработка на эю?' основе предловений пи улучиенив иизкотеы-пературнах свойств битумов и асфальтобетонов.

Достоверность научных нслоиений, результатов исследований и внводоп обоснована:

- согласованием поличинных результатов теоретических и экспериментальных исследований механических свойств битумов при стекловании с современными теориями стеклование аморфных ьечеств, и той числе и полимерных материалов;

- соответствием результатов исследований, полученных d независимых экспериментах;

- применение« современной, метрологически поверенной измерительной аппаратуры, научно-обоснованных методик экспериментов;

- использованием объективных критериев математической статистики при экспериментальных испытаниях.

Реализация работа i строительстве. На ППЗ управления дорог г. Харькова било приготовлено 3.2 тонны пластифицированного битума и ьыпучено 100 тонн асфальтобетонной смеси. Эти битумы характеризовались низкими значениями температуры стеклования и повывенной прочность!) в области стеклования, а смеси отвечали ГОСТ 91ЭД~64 и характеризовались Ьолее низкими: значениамн' прочности при 04 и температурной чувствительностью, что а совокупности свидетельствует в пользу повынеиия трециностойкости асфальтобетона в зикнее "рема.

Апробация работы. Результаты исследований по отдельным вопросам диссертационной работы докладывались на 53...58 научно методических сессиях Харьковского государственного автомебильно-дорояпого технического университета (1983...1993 г.), на II и III Республиканской научно-технической конференции "Применений пластмасс в строительстве и городской хозяйстве" (Харьков, 138? и 1991 г.); на республиканской конференции "Ресурсо-сберегаячие технологии, структура и свойства дороишх бетонос" (Харьков, 1S83 г.); на областной конференции "Достижения ученых - народному хозяйству" (Харьков, 1990 г.); на XV и XUI симпозиумах по реологии (Одесса, "?90 г. и Днепропетровск, 1992 г.), на научной конференции "Коллоидная химия и физиио-химическая механика природных дисперсных систем"(Одесса, 1993 г.).

Публикации. По материалам диссертационной.работы опубликовано

- s

9 печатнях работ.

Otiten работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обцих выводов, списка литературы из 181 наименования-; Работа изложена на 21? страницах, в той числи 136 машинописного текста, SO рисунков, 21 таблица,

С0ДЕР1А1ШЕ РОБОТ«

Состояние вопроса.

Исследовании свойств асфальтобетонов и битумов при отрицательно температурах nocnsienu работа: Богуславского A.M., Волкова U.K., Гезенцвея A.B., Горелшепа Н.В., Гохмана Л.П., Губача Л.С., Золотарева В.А., Малиновского В.В., Мозгового В.В,, Никольского В.Е., Печеного Б.Г., Пономаревой С.Г., Распопова Н.М,. Свньи Г.К., Тарацапско-го Е.Г., Титаря B.C., Фрдзинова В.В., Зцееича И.К.. Janeepier R., Oiiedeville А. и др. В отноаечии битумов больне снимания уделалось отдельным их свойствам, немели закономерностям температурных переходов и взаимосвязи между структурой вяжущего и свойствами системы при низких эксплуатационных температурах.

Принципиальной основой научного подхода к изучение низкотемпературных свойств битумов являются фундаментальные исследования кинетических переходов в анорцишх системах проведенные Тамман Г., Кобе-ко П.П., Бартеневым Т.Н.. Сандитовим Д.С., Розенбергом Ь.А., Йоль-кенитсйном К.В. и др. В чх представлено три аспекта процесса сте клования; кинетический, термодинамический н структурный. Кинетический связан с теорией жидкости Френкеля Я.И., теорией свободного объема, развитой впоследвствки Ферри Я«., теорией Волькенвтейна-Птицина и др. Термодинамический, ааклвчавцийся в соотноиении времени достижении равновесия набора внутреи их параметров система и времени воздействия на систему (времени эксперимента), напел отражение в работах И. Пригоаииа, Р. Дефея и др. Структурный состоит в индивидуали.ок подходе каждой группе вецеств (линейные или сетчатке полимеры, си- . ликатние стекла, битум). Этот аспект определяет какие именно кинетические единицы тормозятся при стекловании. В связи с этим представляет интерес изучение взаииосв5!зи иегду -структурой битума и его физико-механнческики, реологическими свойствами битума п свободном и структурированном состоянии при стекловании.

- о -

Задачи исследований.

выполнить теоретический анализ особенностей поводе-",к в про-цег|,е стеклования ситу*а как материала со слоишв хиав .эскии, грув-р пин составом и надмолекулярным строение». Показать роль -

нон поровка в изменении свойств битума при стекловании. Наыетип. нр .нципиалыше возможности направленного регулирования качества ''/тука с учетом свойств при низких температурах.

Экспериментально изучить процессы стеклований кенаполнтшая н наполненных битумов общепринятыми методвмк (дилатометрия, долговременная прочность, динамические исследования...) и раскрыть природу мзкотеыпературного перехода.

Ь'сш>обить взаимосвязь иеяду структурой битума и ого свойствам при стекловании н на зтой основе показать возможность направленного регулирования низкотемпературных свойств оитчиа.

Выполнить произподствеинув проверку предложений по удучаенив низкотемпературных свойств битума н асфальтобетона.

Теоретические предпосылки.

Но аналогии с аиорфныин полимерами, переход битума в хрупкое состояние обусловлен процессом стеклования. Принимая во вникание слоя -нув ciijyKrypy битума, многообразие в нем органических веществ и их изомеров чохно предположить, что наличиг малых долей викристалхизови вавчихся с понижением температури компонентов не иожет принципиально сказаться на обчем ttponecco стеклований. Это позволяет использовать для описания процесса стеклования битумов полоясния, развитые для стеклования аморфных веществ.

Основонолагаяяим в этом отномении является состновсние вида:

где: 0 - время релаксации;

V- скорость процесса...

Скорость V может бить скоростьп охлавдеиия (структурное стеклование) или скоростью механического, акустического и т.д. воздействия (механическое стеклование), В принципе и механическое и структурное стеклование есть регистрация того, что группа кинетических единиц не успевает релаксировать при времени внеянего воздействия меньшего сремени релаксации. За. структурное и механическое

стеклование отвечают одни и те «г кинетические единицы. Различии« «о-*ст бить характер движения этих единиц. Например: линейные и врача-тельные движения во всех направлениях при свободной расширении, одно линейное и врачательцое движение при простом сдвиге. Одновременное воздейстгне охлаждения а силового пола способно приводить к аддитивности двух явлений.

Такой подход в описании различных экспериментов цозвояия би оценить и сопоставить энергии активации процессор структурного и механического стеклования, С учетом экспонеьциалыюй зависимости времени релаксации условие (1) записывается как:

Гб,ехр(1Ц//?Т4)ПГ И <2)

где: Тс - температура при которой наблюдается стеклование.

После логарифмирования это выравение имеет вид:

где: 1Й0, - константа;

К - газозая постоянная.

Скоростные зависимости температур перехода в стеклообразное состояние могут описыиаться пряными линиями в координатах 1в<ч)=Г(1/Тя1. В таком случае энергия активации любого процесса стеклования определится как:

(4)

Па величину энергии активации, получекнуп из этой формулы, не влияет предэкспоненциальныЛ коэффициент б0 , значение каторого для зазличных кинетических единиц может быть разным. Графически энергия 5ктивации ив может бить представлена тангенсом угла наклона зависи-юсти (3).

Таким образом, энергия активации процесса стеклования мовет «меть емчел энергии молекулярных перегруппировок при Те и косвенна сарактеризовать время релаксации яри температуре стеклования. Значена Од, полученные для разяичиых битумов, могут свидетельствовать о )азмерах кинетических единиц, тормовепиа которых происходит при Тв. 1о подобно с показателем пластичности я, хорово коррелируемый с таи-•енсом угла механических потерь и зависимым от вида напряженного состояния, энергия активации 11а, тате можоу меняться для одного битума I различных экспериьентах.

Используя скоросткуи зависимость температур переходов'в стекло-

обрезное состояние (равенство 3). можно Те сразить формулой:

" т* - Тсс^Ь) (5)

Из формулы следует, что снижение температур« стеклования будет за счет уменьвсния значений V и Ув. Очевидно, что сникая темп охлаждения или скорость механического воздействия можно получать стеклообразное состояние при более низких температурах (вне»ние факторы). Аналогично, унеиьаая энергии активации процесса стекловании различными способами: пластификация, разжижение, изменение дисперсионной среды битумов н т.д., можно поручать более низкие значения Тд (внутренние факторы).

Наполнение битума ведет к эффекту струнтурообразования - мобилизации соединений дисперсной фазы битума на минеральной поверхности (адсорбции) и проникновении соединений дисперсионной среды и поры (диффузии) зерен каменного материала.

Влияние фильтрационного эффекта обусловлено избирательной диффузией в пора минерального материала соединений различной ыолекуяяр--ной масел. Интенсивность этих явлений б«,'дет определяться пористость»? и дисперсности) минеральной подлоги», а также диффузионными фактора ми: вязиостья, составом л температурой вяжущего. Фильтрационной эффект. как правило, обедняет ряжучее, находящееся в контактной зоне, низкомолекуларными компонентам. что при одит к повыжениЕ вязкости битума н, соответственно, должно приводить к «оаавенив температуры стзклоэаиия.

Адсорбция соединений битума на поверхности минерального материала определятся их растворимостью в дисперсионной ербде. Подобно полиыерам, псвыеенне растворявшей способности дисперсионной среды ведет к растворении высокомолекулярных соединений и, следовательно. Формировании молекулярных, а значит более тонких, адсорбционных слоев Потеря "иэкомолокулярных компонентов, V т.ч. ароматических углеводоро дов, при фильтрации, наоборот, должна формировать более толстые пдеор бционные слои. Какое из агнх явлений будет доминирувциы, следует рассматривать непосредственно для каждой конкретной бинарной системы.

Основные результаты экспериментальных исследований.

ляется характеристикой структурного и физического состояния материала и зависит от многих факторов ее определения, й настоящее время иетпд определенна температур стеклования с помочьи кривых температурного paceitpeiwj (дилатометрии) ечитаегсе оскивным. Кроме определения Тц, этот метод позволяет определять коэффициенты температурного расширения - вавнейаее эксплуатационное свойство бктуиоп и асфальтобетонов.

На дилатометре конструкции ХГйДТУ были исследована бнтукн марок БНД, ] и II типа. Результати исследований показали, что температурная зависимость относительного удлинения битума не имеет скачка (как это наблюдается для красталлйзувчих веществ) в области температур от 20 до минус 40 °С, а коэффициент температурного расширения (об ) линейно изменяется до и после тецпературччго отрезка, отвечавшего яа область стеклования . Середина области стеклования принята за условнув температуру структурного стеклования. Эта температура битумов изменяется на 8...10 град, при изменении скорости охлавдншш - нагрева на один порядок.

При наполнении кварцевым и известняковым минеральными-поровка-йм с одинаковой удельной поверхностна паблвдались три участка, отвечавшие, вероятно, трем типам структур (рис. 1):

1 участок н тип, малой концентрации, когда свойства асфальто-зшучего, в основном, определяется свойствами свободного битума;

И участок н тип, когда происходит интенсивное структурообра-зование, сопровождавшее д "латочно резкий повываниеи температуры стеклования, а кот актива зона характеризуется сближением" зерен минерального материала на расстояние менее двух толцнн структурированного слоя;

Ш- участок и тин, когда свойства асфальтовявущего, в основной, определяется свойствами струк урироваиного битума. При этой температура стеклования стабилизируется.

Исхода из концентрационных зависимостей Tg, стрню'урироваые интенсивней для битумов болев вязких и с более структурированной дисперсионной средой, а также для систем на известняковом минеральной порожке.

Винимально структурированной пленке битума ( Kemp ) отвечает пленка, толщина которой соответствует условной точке между нервны и вторым участком. Эти толцшш для различных марок я типов битума раз-

■ю

-20

I2' Ж

Я

у г/ А ¡л"

' I у и V/ ¡/V Р ,

■ _—

в кй

» м

Рис.1. Кэнцентравдонная зависимость температуры стеклования бктуча первого (О и второго (2), структурного типа при наполнении' известняковые С) и кварцевым С) «лнералъным порошком.

1

тр

1,04

Г,АЗ

V5

О - 6Я ) ¡10/60 ' ! * --——»— *

А -5*1 а-БН шщяг 0 200/300 5 * А» А * 9 V «о » • * ♦

С - ¿«тин _|-;о тиг > Г 11 0.

V

г/г

шр

Рис.2. Обобщенная, а приведенных координатах зависимости температуры стеклования асфал«>товлжувдх от толцинк ддешги блтуча. Наполнитель: известняковый (светлые значки) и кварцевый {тзмиме значки) нинералышй пороаок.

- и -

яичны и яеаат в пределах 1,2...3,9 икм . При таком подходе, значения толщин близки к значениям, полученный по концентрационным зависимостям прочности асфальтовяядах . На кварцевом минеральном бровке ад-сорбционно-сольватные оболочки тоньве, д температуры стеклования ас-Ф-члыозяяуцих ниве, чем в случае известнякового норонка. Для. последнего вероятно фильтрация ннзкоколекулярпмх компонентов битума в поры, й для кварца моано предг.олояить избираюльнуо поверхьистнув адсорбции высокомолекулярных компонентов.

Соотноаеннс объемного и структурированного битума имеет болывоа значение в структурообразовгши.. асфальтобетона на его микро-, мегю-. и макроуровнях. Для асфальтовяшучих на битумах разных марок, типов-V на разных по генезису минеральных поровках получена обобщенная зависимость (рке.2), которая показывает, что повыяение температуры стеклования лвбой взаимодействующей пари битум-поровок определяется степенья отклонения фактической толщины пленки от адсорбционнп-соль-ватиого слоя. Это справедливо при отклонении не превывавщеы 0.4-0.5, что подтворадает дзшше Золотарева В.А. о максимально допустимой структурированности пленок, равной 0,54. Вызе этого значения Те ас-фальтовявуцего не изменяется.

С высокой степенью корреляции (0,80), обобщеннув зависимость иоапо описать вираяеиием, подобный основной формуле в структурной теории прочности асфальтовявуцего Рыбьева И.А.:

где: - соответственно теаперзтура стеклования

и толщина пленчи битума в асфальтовявцщем произвольного состава; - температура стеклования асфальтовявущего при ^ толщине адсорб"нон»о-сольватного слоя битума (§стр ).

Испытания

по схеме на сдвиг бы умов разных марок показали, что зависимости предельного сопротивления сдвигу от скорости сдвиг-»в области температур, достаточно удаленных от Тд (рис.3), описывается степенным уравнением вида:

С*, «?)■

Значения т,- изменяется в пределах от 0,~3? для битума 31 до 0,80 для битума 35.

-30 -20 40 0 Т, "С

Рис.4. Температурная зависимость предельного сопротивления сдвигу битучоа первого (I), второго (2) и третьего (3) структурного типа.

Увеличение когезионной прочности битума с ростов скорости де формирования мояно объяснить релаксационными процессами, когорт; происходят в объено вещества при деформировании. При иовнвении скорости сдвигя доля упругих деформаций увеличивается по сравнения с вазкотекучей деформацией, обусловленной необратимым скояьзенияа моле^ куя битума относительно друг друга.

Когезиограмчн битуков разных типов показцзаит, что наибольауо прочность при 204 имаиг битумы второго типа по сравнение с битумами первого типа. Ситуиы третьего типа занимаит промежуточные"значения. Это хороао согласуется с данными П.С. Колбановской. Для этих условно зквпвязкнх битумов, по-видимому, больаое значение имеет содерланне смолистых компонентов, которых в битуме 2 на 20,6% больяо, чей а битуме 1. Для этого бнтуыа виве значение показателя пластичности гпг .

Температурные зависимости когезионной прочности битуаав характеризуется максимумами (рис.4>, значения которых находятся о предела* 2-2.4 ННа. Температуру, соответствуй^*! максимуму прочности, обычно принимает за температуру механического стеклования (Тй)". Смецегше температуры стеклования от скорости деформирования подтверждает кино-тический характер этого температурного перехода, оно определяется • гиергией активации процесса стеклования и равно 0-7'С при изменении скорости деформирования на порядок. Значения температур механического стеклования выме тозпяратур структурного стеклования, определенных дилатометрическим способом с примерно одинаковой скоростьп охлаждения.

Исследования когезии битумов разннх марок, полученных окислением одного сырья, показывают их идентичность в отновешш характера зависимостей, смецаяцихся параллельно самим себе по температурной икало, при изменении глубины проникания иглы. Максимальные значения когезии для этих битумов примерно одинаковы - 2.2 йПа.

Условно эквивязкиэ битумы разных структурных ТИПОВ ИИ8ЕТ раз-нуи иакгимальнуи прочность (рис.4.). При охлаждении до температура стеклования больией прочностьв обладают битуиы второго структурного типа, так как они содержат больяео количество смол. Битумы первого структурного типа имеют болея высокие значения прочности ниже температур» стеклования, так как дисперсионная среда у этого битума ыенеэ структурирована петролейно-бензольными смолами (ПБС), Битумы третьего типа икеиг промежуточные значения когезионной прочности. Темп енн-

ження прочности (Д^б^/дТ) пике Тд, также, различен для этих битумов, для первого, третьего н второго структурного типа он соответственно равен - 0.50. 0.08, 1.0. Наибольший к мп снижения, прочности для битума второго типа, очевидна, связан с внутренними напряжениями, вызванными при охлаждении резким торможением релаксационных процессов.

Приспособленный для испытаний на долговременнуп прочность кон-систимер Хепнлера позволил определять время до разруиения образцов -балочек битума на двух опорах при температурах -20, -30 и -40 "С, когда предельные деформации незначительны, а время релаксации,по ссей видимости, намного бодьв'е времени эксперимента. В этом диапазоне температур битумы находятся в области стеклования и в области переходной к стеклообразному состоянии (Тв=-19...-31'С для битуков БНД 40/60 ... БНД 200/300"». Значение температур переходов определялись дилатометрическим способом с одинаковым режимом термостатиро-вания. •

При нагружении временная зависимость деформации битумое имеет два характерных участка: переходной и участок квазнстационарной ползучести. Предразрывной участок не наблюдался, возможно, из-за мгновенного прорастания магистральной трещины при разруиейии. Факто-графичесний анализ, также подтвердил хрупкое разрувенпе битума в этой области температур. Полученные результаты исследований битумон разных вязкостей и разных структурных типов показывают, что в исследованной области температур кривые долговременной прочности хорово описывавтси уравнением 1угкова С.11.(рис.5).

С охлаждением, в пределах изучаемых температур и принятой погрешности, не наблвдается «и классического веерообразного расположения нрниых, ни их параллельного смешения-нак для асфальтобетона при положительных температурах. При переходе битума в стеклообразное состояние звисимости х= Г(<э ) смецаптся в область меньвих напряжений. Для битума второго типа это смешение значительней по сравнении с битумом первого типа. Битум третьего структурного типа занимает промежуточное значение. При охлаждении, в этой области температур, возни-капт "внутренние температурные" напряжения которые, вероятно, изменяет расчетное значение напряжений о принятом уравнении.

Введение минерального пороака в битум до второй структурообразующей концентрации не изменяет характер кривых долговременной прочности. В отличие от битумов, на временной зависимости деформа-

С

3.5

3,0

г,5

5

\ к 1

к

Рис.5. Долговременная прочности битума ВИД 60/90 при температуре, °С: I- -20, 2- -30, 3- -40.

4 5. « 7 <э,МП«

3.0

2,5

3 \3

1 г \ Г \ г \ \

V \ » \ \ Л

Л Л

5

9 10 « й

Рис.6. Дслгоьре^енн&я прочность асфальтовяиущих: битум БВД 60/90 с известнякового минерального порошка (сплошные линии) и с 29% кварпоього порошка (пунктирные линии) при температуре, °С: I- -20, 2- -30, 3,- -40.

ции асфальтовявдах наблвдается слабо выраженный третий - предраз-рывиой участок. Это ыожет быть следствие« накопления никротрецин, приводящих к нехрупкому разрувенив.

Исследования асфальтовяаучих на битумах трех структурных типов первой структурообразупчей концентрации показали, что их прочность в области стеклования выве в I.5-2 раза, по сравнении с чистыми битумами ¡щи одинаковой долговечности. Наполнение, по-еиднкому. ведет к упорядочении структуры вякучего. Доказательством этого ысает бить то, что при снижении температуры, от минус 20'Сдо минус 40°С кривые дол-гоиремешшй прочности не сыецаится в область меньших напряжений. Прк атом значения температур стеклования асфальтовяжущих выше значений Те битумов на 5-6"С (рис.6).

Аналогично битумам изменяются угла наклона к оси ординат зависимостей долговременной прочности асфальтовякуцих. С понижением температуры и с переходом в составе от битума первого ко второиу структурному типу угол наклона прямых уиеньнается. Асфальтовяжучив на битуме третьего типа занимают н зтих показателях промежуточное положение.

Снижение пластичности при охлаждении ыеньае для асфальтовя-жуцих, чем для битумов. Наряду с повывением прочности, это явленно иовет бить связано с их изменением в контактной зоне под воздействием поверхностных сил и фильтрационного эффекта. Однако, из этого не следует, что наполненный битум в асфальтобетонном покрытии будет лучае релаксировать температурные напряженна при охлаждении. С наполнением повивается несткость и температура стеклования системы. В таком случае это явление будет иногофакторнын.

Изменение качества и природы подложки значительно сказывается на долговременной прочности наполненного битуиа. Так. битумы, в равной степени наполненные известняковый и кварцевым минеральными порожками, кыеьт прочность и пластичность выке прн кварцевой наполнителе (рис.6). Вероятно, это связано с изменением состаиа битума в'контактной зоне под воздействием фильтрации низкоиолекулярных компонентов порами известняка и различной избирательной поверхностной адсорбцией различными по генезису поровкаьш.

Зависимости комплексных динамических модулей упругости асфапъ-тпо^жучих на битумах разных типов от температуры, определенные на нибростендв ХГАДТЗ, покаяиваат, что при изыеиенин частоты деформиро-

вания (f). эти зависимости смещавтся параллельно оси Г. В области температур стеклования температурные зависимости асфальтовяяущих имеют слабо выраженный перелои, в отличие от температурных зависимостей лодатяивостей чистых битумов. Возможно, битам, находящийся п адсорбированном состоянии, имея более регулярную упаковки молекул при стекловании, более плавно переходит в стеклообразное состояние.

Наполнение сказывается на абсолютных значениях модуля упругости. Так, в области стеклования комплексный модуль упругости приблизительно равен для битумов - 10г НПа. для асфальтовяаущих второй структурообраэугщой концентрации - JO^Mfla, для асфальтобетонов - Ю*1 Ш1а.

Использование в качестве минерального порожка молотого S10г показало, что процессу адсорбции, качественно отличающиеся при использовании карбонатный пород, значительно олиаит на свойства асфальтовзжудего при второй структурообразующей концентрации. Механизм деформирования такой высоко-наполненной системы также обусловлен особенностями деформирования битумной матрицы, с учетом' изменения свойств структурированного битума в контактной зоне,

Е работе показано, что различные схемы напрмвенного состояния в битумах значительно сказывается на энергии активации Ug бигума, По аналогии с теорией вязкого течения в полимерах, можно предположить, что при свободном расиирении макро-молекулы битума икеог все степени свободы (Еращатеяьные и поступательные движения во всех направлениях). Для этой схемы значение энергии активации ((И s 120 кДв/мояь (при дилатометрии). При сдвиге (когезия) могут реализоваться только в одном направлении вращательное и поступательное движение. Для этой г,хемн значение энергии активации -■ Не = 190 иДв/мпль, Эти значения близки к значений* энергии активации -релаксационных процессов в полимерах . При одноосном рас-тягении могут реализоваться только одно поступательное движение макромолекул битума. Для такой схемы испытания значение энергии активации - Ug = 380 кДж/моль. .

Таким образом, 5«ергид активации процесса стеклования битуна • мовет быть сравнительной характеристикой врецеии релаксации при Tg только в условиях одного напряженного состояния образца.

Анализ энергий активации Ug для различных битумов показал, что их абсолютные значений близки между собой и при одноосном рас-

тяжении составляют 380-520 кДж/моль. Меньшие значения 11й, а значит и время релаксации при Те имеют битума с меньжими значениям ПСС/У или с бильжини значениями Кстд, Степень структурирования среди битума яиляется основным фактором в значении Ту при изменении скърости деформирования или охлаждения. Близкие абсолютные значения энергии активации доказывается практической параллельностью зависимостей Те - П V ), наблюдаемой в работах Золотарева В.А. для битумов и .асфальтобетонов.

б структурированном состоянии битум изменяет свои свойства нрн Тй. Динамические испытания асфадьтовяжуних показали, что наполнение сближает значения 1)0 между собой для различных битумов. Однако, асфальтовяжуцее на битуме первого типа имеет меньвее значение Пр..

Проведенные исследования показали, что энергия активации процесса стеклования является.приближенной характеристикой оценки времени релаксации при Те для различных битумов марок БНД. При этом она чувствительна к схеме напряженного состояния материала и объясняет близость многих реологических параметров битумов при Тд.

Подтверждением релаксационного характера стеклования битумов служит близость константы С основного правила стеклования (около 0,4?) к значениям характерным для густосинтмх эпоксидных полимеров. • Для последних, как известно, присуц микрообъемный физический механизм стеклования.

Проведенные исследования но пластификации битума углеводородами различной раствбряючей способностью показали, что небольвое количество добавки предельных углеводородов в битум смекает его структуру к типу "Гель". В результате этого, прочность и пластичность Такого битума (при температурах ниже Те) выае но сравнении с исходным.

Для производственной проверки влиянии добавок парафино-нафте-новых углеводородов на свойства битума и асфальтобетона была выбрана пужечная смазка ПВК, отпускаемая Харьковской нефтебазой К1, которая содержит преимущественно углеводороды парафино-нафтенового ряда.

Результаты лабораторных экспериментов но пластификации пук.",п.:; смазкой нефтяных битумов показывают, что ее введение в количеств 5...0 % допустимо изменяют свойства марочных битумов. При этом кость снижается на марку, а структурный тип битума снедается и ,мн;м влении первого типа. С этим связано улучшение его свойств г.ри ади* температурах. Добавка смазки расширяет интервал пластичипсгн. Л у"'-''»»'•»

пластифицированных битумов не xyie исходных.

С учетом оптимального содерЕаиия смазки ПВК. на смесителе Д-îîOQ ЙБЗ Харьковского управления дорог было приготовлено 0.2 тонны пластифицированного битума и выпцценно 100 тонн асфальтобетонной смеси на этом битуме. Сназкч ПВК вводилась вручнуй в битумный котол смесителя. Ке содержание составило 4.5 'А.

Асфальтобетоны на пластифицированном бигуме имели показатели допустимые ГОСТ 9128-84. Лри этом прочность на сжатие при 0°С образцов асфальтобетона п,среднем нико на битумо с добавкой ПВК на 1? '/., что наряду с пониженной температурой хрупкости битума является свидетельством повивения,треаиностойкости асфальтобетона в зимнее время. Процессы старения в асфальтобетоне lia пластифицированном битуме протекает кенее интенсивно по сравнении с исходным.

0бе;ле выводы.

1. На основе комплексного термодинамически-структурного подхода к низкотемпературных переходам я битумах показано, что структурное и механическое стеклование обусловлено соотношением скорости внесшего воздействии и подвивности кинетических единиц, в роли которых выступает как надмолекулярные образования и асфальтсны. так и структурируйте сряду спирто-бензольные сколы. Экспериментальным доказательством этого является практическая параллельность зависимостей температур структурного (дилатометрия) и механического (при разных скоростях деформирования и схеиах напряженного состояния) стеклования от температур хрупкости. Косвенной характеристикой интенсийности при релаксационных процессах и размеров кинетических*единиц является впервые определенная в работе энергия активации процесса стеклования, которая при заданной схеме напряженного состояния" более чувствительна к.изменению стуктцрного .типа битума, чем его марке и степени наполнения минеральным порож'чм. Это обусловлено, как показывает значение константы "С" основного правила стеклования, микрообъемным механизмом стеклования. . •

2. Температура дилатометрического стеклования битумов сучествен-но зависит от их группового.состава: с переходом от битума типа "гель" к битумам типа "золь" они изменяптся более, чем на 12*С , а при изменении марки от,5НД 40/60 к ВИД 200/300 в пределах 8...10 *С. Следовательно, в пределах одной марочной вязкости можно сужественно

влиять на трещииостойкость асфальтобетона выборов типа битума. С учетом теории асфальтовяжущего получена обобщенная температурно-концен-трационная зависимость, раскрывающая влияни структурированности битумных пленок минеральной подлошкай на значение ее температуры стеклования. Это позволяет прогнозировать температуру стеклования, а следовательно и трещиностойкость на основе данных по «го гранулометрическому составу и содержанию битумов. При содержании битумов, нормируемым ГОСТ 9128-84, переход от асфальтобетона с гранулемегрней типа "Г" к асфальтобетону с гранулометрией типа "А" сопровождается понижением температуры стеклования на 4...3 "С,

3. Температурная зависимость когезии битумов позволяет разграничить области их текучего, упруговязкого, застеклованпого и хрупкого состояния битумов. Температура, отвечавшая максимальному значению когезии. может быть принята в. качестве температуры механического стек-лонания'. Эта температура является функцией скорости деформирования. При изменении скорости деформирования температурные зависимости когезии смещаются параллельно самим себе в сторону положительных или отрицательных температур. Изменение скорости деформирования в 10 раз приводит для разных битумов к изменению температуры механического стеклования на 6,.,7"С.

Для битумов одной природы изменение марки практически не сказывается на форме температурных зависимостей и значениях показателей когезии, отвечающих температуре механического стеклования. Существенное изменение группового состава битума из одного сырья сопровождается изменением максимального значения когезии в пределах 15Х,

4. Подобие температурных зависимостей когезии битумов позволяет получить обобщенную зависимость когезии с использованием в качестве факторов приведения отножения когезионной прочности при температуре испытания к прочности, отвечавшей Тг , и температурного интервала между температурами испытания и механического стеклования битумом. Использование обобщенной зависимости дает возможность по известной температуре хрупкости битумов и значении когезии битума при одной температуре получить ее температурную зависимость во всем диапазоне вы*е температуры механического стеклования.

5. Прямыми измерениями долговременной прочности битумов и ас-фальтоважуцх установлено, что снижение прочности битума (как свободного , так и структурированного) при Т < Те обусловлено темпера-

тдрпнки "внутренними" напряжениями, вероятно, возникавшими за счет нерегулярности упаковки макромолекул битума и его комплексов. Наполнение битума минеральным поровком снимает эти напряжения, возможно, по причине пчоцсссов ориентации компонентов вянущего на подложке.

8. Исследованиями деформационных свойств битумов (податливость)-и асфальтовяжущих (динамический механический модуль упругости) при низких эксплуатационных температурах, установлено, что маяовяэкие битума и битумы с ыеньаей степенью структурирования дисперсионной среды имевт повнжекнуп деформативность в области стеклования, Использование кварцевого минорального яородка э качестве наполнителя для асфальтобетона предпочтительней с точки зрения как деформационных, так и прочностных свойств при этих температурах (показатель пластичности вше на iO-15Z. а прочность до 202). . ___

7. Ил оснопе данных по податливости битумов * математических обобщений, отвечающих реологической модели йоргерса, показано, что « области низких температур вязкость меньяе, а доля диссипированной" энергии и степень эластичности выме для битумов, тяготеющих к типу "гель", С переходом к положительным температурам эти свойства обратится по отновенив к структурному типу битума,

0. Пластификация битумов углеводородами различной растворяющей способности доказала, что углеводороды парафино-нафтенового ряда в наибольи^й степени влияят на низкотемпературный свойства битумов. Добавки в количестве 6-8Z парафино-нафтепооых углеводородов, близких по средней молекулярной массе к битумам, снижает температуру стеклования и ув°личиваит прочность бигуиа в 1,4...2 раза при температдрах ниже Та на 10...20*С.

3.Предложены способа улцчжения свойств битумов и асфальтовящу-щих при стекловании путем пластификации битума предельными углеводородами. Проведена опытно-производственная проверка использования в качестве пластификатора смазки ИЗК, состоящей, в основном, из предельных ¡углеводородов с це^ьи повыаения трещиностойкости дорожного покрытия.

Основные положения диссертационной работы изложены в следувщих публикациях:

J. Иаляр R.B. Способ оценки иогезиешой одочности органических вя-*'|щих.//Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве:

тез.докл.-Харьков, ХИИКС, 1987. с,54-55

2. Маляр В.В. Способ оценки когезионной прочности битума.//Автомобильные дороги и доровное строительство. Г :п,43, Киев, "Буд1ве-льник", 1388, с.49-52

3. йданюк В.К., Маляр В.В. О когезионной прочности окисленных вяжущих из составленного органического сырья различной природы.// Ресурсосберегавцие технологии, структура и свойства дорожных бетонов.'тез. докл. -Харьков. ХОДИ, с.2?-28.

4. Маляр В.В. Оценка когезионных свойств битума при низких температурах на приборе ХйДИ,//Достижения ученых - народному хозяйству: тез. докл. -Харьков, ХОДЯ, 1990, с.211

5. Маляр В.В. Дилатометрические характеристики битума в области стеклования.// XI) Всесовзный симпозиум по реологии: тез.докл. Одесса, 1990, с.139

6. Яданшк В.К,, Маляр В.В. Регулирование прочности органических взжуцих на стадии окисления.//йвтодоровник Украины. -Киев, "Тех-н1ка", 1991, N2, с.27-29

?. Маляр В,8, Дилатометрические исследования наполненных битумов// Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве: тез. докл. Харьков, ХИЙГХ, 1991, с.5

8. Маляр В.В. Долговременная прочность битумов.// Х(П симпозиум "Реология - 92": тез. докл.-Днепропетровск,"Пороги". 1992. с.201

9. Маляр В.В. Энергия активации процесса стеклования битумов.// Материалы комплекса научных и научно-технических мероприятий стран СНГ. -Одесса: НПО "ВОТУМ", 1993. -е. 122.

Ответственный аа вииусв - к.т.н. В,0. Псврник

от 87.10; 1993 г. Заказ К 250. Объем 1,0 пен-, лис т. Тираж 100 экз.

ОтппадТаноТт'рптапрГш печати Харьковского ГАУ.