Долговечность битумных покрытий и факторы, влияющие на нее

Долговечность битумных покрытий помогает минимизировать затраты на их содержание. Существуют различные факторы, влияющие на долговечность битумных покрытий.
Способность конструкции сохраняться и обеспечивать требуемые характеристики на протяжении всего срока службы называется долговечностью. При строительстве дорог необходимо, чтобы они служили в течение всего расчетного срока службы при ограниченном техническом обслуживании.

Долговечность битумных покрытий

Характеристики и срок службы битумных дорожных покрытий зависят от качества и свойств материала, из которого они изготовлены. Основным компонентом является битум. Существуют различные возможности, при которых битумный материал может разрушиться.

• Под воздействием кислорода и различных температур битум может затвердеть.
• Некачественные заполнители, используемые в дорожном строительстве, могут разрушаться.
• Плохое качество заполнителей влияет на их сцепление с битумом под воздействием постоянной транспортной нагрузки и атмосферных воздействий.
• Повышенное содержание пустот и проблемы с проницаемостью приводят к ухудшению состояния дорожного покрытия.

Старение битума в дорожных покрытиях

Воздействие атмосферы на битум приводит к его старению. Скорость затвердевания битума зависит от погодных условий, а также от природы битума.
Существует два основных процесса старения битума. Это:

1. Процесс окисления

В процессе происходит соединение кислорода из воздуха с ароматическими веществами и смолами. В результате реакции образуются асфальтены. Это приведет к увеличению полярной высокомолекулярной фракции в битуме. Это увеличение приводит к повышению вязкости битума.
Увеличение вязкости приводит битум в нестабильное состояние. Нестабильное состояние отражает разрывы в материалах компонентов. Снижение когезии из-за неопределенности приводит к образованию трещин под напряжением. Скорость окисления является пагубным фактором в зонах с более высокой температурой.

2. Потеря летучих веществ

Присутствие в битуме низкомолекулярных взвешенных веществ, чему способствует повышенная температура, приводит к потере летучих веществ. Скорость потери летучих веществ для битума проникающего действия относительно невелика после его укладки.
Старение битума приводит к его затвердеванию. Состояние затвердевания определяется по низкому значению пенетрации или увеличению индекса пенетрации. Это также имеет тенденцию к повышению температуры размягчения образца битума. Такое затвердевание сделает материал хрупким и вызовет растрескивание в тяжелых условиях.
Старение битума может быть представлено с помощью следующих показателей Индекс старения.
Где,
 
На рисунке 1 ниже показано старение битума во время смешивания, хранения, транспортировки, применения и в течение всего периода эксплуатации.

Старение битума представлено с помощью индекса старения (из Shell Bitumen Handbook, 2003)

Проницаемость как фактор долговечности битумных покрытий

Степень проникновения воды и воздуха в битумную смесь зависит от проницаемости битумных покрытий.
Измерение проницаемости образца битума может быть выполнено с помощью простого теста. В одну сторону образца битума под давлением проникает жидкость. Измеряется количество воды, выходящей из противоположной стороны образца битума.
В качестве проникающей жидкости может использоваться как воздух, так и вода. Диапазоны проницаемости для трех различных асфальтовых смесей приведены в таблице-1.

Таблица.1: Классификация пустот на основе диапазонов проницаемости для асфальтовых смесей

Проницаемость, к (см/с)
Условие проницаемости
Тип пустот
Смесь
10-4 или ниже
Непроницаемый
Непроницаемый
Плотный
От 10-4 до 10-2
Плохой дренаж
Полуэффективный
Камень Мастичный асфальт
10-4 или выше
Хороший дренаж
эффективный
Пористый асфальт
Факторами, влияющими на проницаемость битумных покрытий, являются:

На рисунке 2 показано изменение проницаемости асфальтобетона, горячекатаного асфальта, пористых асфальтовых смесей и каменно-мастичного асфальта в зависимости от общего количества пустот, присутствующих в соответствующем образце.

Изменение проницаемости в зависимости от процентного содержания воздушных пустот для различных асфальтовых смесей

Пустоты также зависят от характера заполнителя, используемого в смеси. Упаковка заполнителей, а также их форма, размер и текстура определяют количество пустот, которые присутствуют во всей смеси.
Следовательно, уплотнение играет роль в уменьшении или увеличении пустот. Здесь большее значение имеет качество уплотнения.

Адгезия в битумных покрытиях

Битум должен обладать качественной адгезией с заполнителем, чтобы способствовать правильному связыванию. Этот фактор является основным параметром, определяющим долговечность битумных конструкций.
Адгезионные свойства и устойчивость битумных покрытий к отрыву зависят от следующих факторов, указанных ниже:

1. Свойства заполнителей

Основными свойствами заполнителя, влияющими на адгезию битума, являются:

Минералогическая и физическая природа заполнителей, используемых в битумной смеси, влияет на адгезионные свойства.
В целом, заполнители с большим содержанием кремния, такие как риолиты, кварциты, граниты и т.д., более склонны к разрушению из-за недостаточной адгезии. Но известковые камни и магматические породы работают хорошо. Им принадлежит сложное взаимодействие материалов.
Другим фактором, определяющим адгезию, является поведение поверхности агрегатов. Поверхностной энергией обладают те агрегаты, которые имеют несбалансированные поверхностные заряды. Это приведет к разрыву координационных связей во всей кристаллической решетке и в полярной среде минералов.
Если поверхность агрегата покрыта противоположным зарядом, то поверхностная энергия будет способствовать укреплению связей.
Общий объем проницаемого порового пространства и размер пор являются основными двумя факторами, влияющими на впитывание битума в заполнители.
Поглощающая поверхность, которая присутствует в битуме, может быть увеличена при наличии тонкой микроструктуры пор, пустот и микротрещин. Это, в свою очередь, зависит от качества и атмосферного состояния заполнителя.
Чем больше шероховатость поверхности заполнителя, тем выше адгезия. Гладкая поверхность заполнителей делает их влажными. Таким образом, необходимо поддерживать баланс между смачиваемостью заполнителя и связывающими свойствами заполнителей.
То есть, заполнитель не должен быть ни слишком шероховатым, ни слишком гладким. Влияние минералогии иногда маскируется за счет шероховатой поверхности.

2. Свойства битума

Вязкость и поверхностное натяжение являются основными характеристиками битума, которые влияют на сцепление битума с заполнителями. Степень впитывания битума в поры заполнителя регулируется указанными факторами.
Вязкость и поверхностное натяжение являются параметрами, которые изменяются в зависимости от температуры. Всегда смешивание заполнителей и битума осуществляется при более высокой температуре. Она составляет максимум 180 градусов при битуме 40/60. Это делается при высоких температурах, чтобы битум полностью покрыл заполнитель.
Наблюдается химическая абсорбция битума на поверхности заполнителя. На границе раздела битум-агрегат обнаружена прочная связь, образующая слой толщиной 180 ампер. Слой состоит из кетонов, дикарбоновых ангидридов, карбоновых кислот, сульфоксида и компонентов, несущих азот.
На рисунке-3 показано выравнивание молекул битума в направлении полярности субстрата. Агрегат в основном обладает отрицательной поверхностью.

Изображение молекул битума, притягивающихся к отрицательно заряженным агрегатам

3. Пропорции интерактивных смесей для битумных покрытий

4. Внешние воздействия на битумные покрытия

Читать далее:
Почему битум используется в дорожном строительстве? Свойства и преимущества битума для дорожных покрытий
Процессы в битумном дорожном строительстве
Разрушения в битумных дорожных покрытиях
Битумные материалы – типы, свойства и применение в строительстве
Различные виды битума, их свойства и применение
Градация битума – различные методы градации битума

• Виды битумных материалов в строительстве – применение и свойства.
• Градация битума – различные методы градации битума.
• Вязкость битумных материалов – измерения и факторы.
• Виды битумных смесей для строительства дорожных покрытий и их применение.
• Почему битум используется в дорожном строительстве? Свойства и преимущества битума для дорожных покрытий.
• Различные виды битума, их свойства и применение.
• Асфальт, битум и гудрон – виды, различие и сравнение.