Исследование влияния ультразвуковой обработки битума на структурообразование и свойства асфальтобетона

В настоящее время в области дорожного строительства решаются задачи развития сети магистральных дорог при достижении высокой экономичности и качества строительства. Важным вопросом при этом является обеспечение долговечности автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием.

Асфальтовый бетон, нашедший широкое применение в дорожном строительстве и обладающий целым рядом достоинств, в то же время в процессе эксплуатации постепенно разрушается от воздействия транспортных нагрузок и температурно-влажностных факторов окружающей среды, что вызывает необходимость ремонта покрытий, а в ряде случаев и полной замены пришедшего в негодность слоя дорожной одежды. С учетом того, что капитальный ремонт асфальтобетонного покрытия производится через 5−7 лет после его устройства, становится ясной актуальность решения проблемы повышения долговечности асфальтобетона.

Ослабление отрицательного влияния транспортных нагрузок на срок службы асфальтобетонного покрытия достаточно успешно решается путем усиления конструкции дорожной одежды, применения сдви-гоустойчивых каркасных типов структуры асфальтобетона, устройства специальной поверхностной обработки и другими конструктивными мероприятиями.

Более сложным является вопрос обеспечения водо — и коррозионной устойчивости асфальтобетона. Отрицательное воздействие увлажнения и знакопеременных температур среды, значительно снижающих долговечность асфальтобетона, может быть нейтрализовано лишь при помощи направленного регулирования структуры битума и процесса формирования адгезионного контакта между битумом и минеральным материалом.

Используемые в настоящее время способы управления процессами структурообразования асфальтобетона, заключающиеся в модификации битумов, применении поверхностно-активных веществ, использовании гидрофобизации и физико-химической активации минеральных материалов, а также интенсификации режимов перемешивания и уплотнения асфальтобетонных смесей, позволяют в определенной степени улучшить условия протекания процессов взаимодействия между битумом и минеральными материалами, что положительно сказывается на качестве асфальтобетона.

Вместе с тем данные по структуре и свойствам битумов свидетельствуют о наличии в асфальтенах значительных резервов адгезионных свойств, которые при существующей технологии приготовления асфальтобетонных смесей реализуются недостаточно полно, так как практически единственным фактором, способствующим разуплотнению надмолекулярных комплексов асфальтенов и увеличивающим возможность их контакта е минеральной поверхностью, является температура.

Интенсификация разрушения надмолекулярных образований или соединений сложного пространственного строения, которые препятствуют рекомбинации или насыщению свободных связей, находящихся внутри этих соединений, может быть достигнута путем воздействия на них механических силовых полей, среди которых одним из наиболее эффективных является ультразвук.

Целью работы является разработка технологического способа повышения адгезионных свойств битума, основанного на направленном использовании механо-химических явлений при ультразвуковой обработке, и на этой основе совершенствование технологии производства асфальтобетонных смесей, способствующей повышению качества и долговечности асфальтобетона.I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙI.I. Основные факторы, влияющие на долговечностьасфальтобетонаГлавным признаком качества асфальтобетонного покрытия, вытекающим из его основного назначения — обеспечения бесперебойного движения транспорта, является его долговечность, возможно более длительный срок службы. Согласно нормативных документов, срок службы асфальтобетонного покрытия составляет 20-Е5 лет, однако многочисленные дефекты, появляющиеся в покрытии в процессе его эксплуатации, сокращают указанный срок в 3−4 раза [l, 2, 3, 4].

Изучению факторов, оказывающих отрицательное влияние на долговечность асфальтобетонных покрытий, уделялось значительное внимание в ряде работ [з, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ю]. Согласно [ 5] прочность и долговечность покрытий из асфальтобетона зависит от характера образующихся в них деформаций. В зависимости от причин их возникновения, деформации были объединены в пять основных групп: образующиеся под влиянием атмосферных фактороввозникающие от механического воздействия транспортаобусловленные грун-тово-гидрологическими факторамидеформации от совместного действия первых трех группдеформации от производственно-технических дефектов. При этом основными видами разрушений асфальтобетонных покрытий признаются трещины, выкрашивания, выбоины и пластические деформации [7, 9, ir|.

В работах [з, 12 отмечается, что для увеличения долговечности асфальтобетонных покрытий необходимо повысить прочность, деформационную устойчивость и долговечность асфальтобетона. Кнаиболее важным факторам, влияющим на долговечность асфальтобетона, отнесены были [ie]: механические, температурные и воздействия вещной среды.

В ряде исследований [2, 8, II, 13, 14] подчеркивается, что долговечность асфальтобетонных покрытий в значительной мере зависит от качества битума, от типа и устойчивости его связей с минеральной поверхностью. Согласно [ll] асфальтобетонные покрытия подвергаются двум основным видам воздействия: автомобильному движению, вызывающему истирание, динамические напряжения, давление, действие касательных и вакуумных силпогодно^климатическим факторам, к которым относятся воздействие воды, воздуха, солнечного облучения, изменения температуры. Иод влиянием этих воздействий в асфальтобетонном покрытии образуются различного вида деформации, вызываемые напряжением от сжатия, растяжения и сдвига. Наличие в асфальтобетоне битума предопределяет возникновение необратимых деформаций, которые проявляются на покрытии в виде трещин, выбоин, выкрашивания, шелушения, сдвигов, наплывов и волн Преобладание того или иного вида деформаций, приводящих в конечном итоге к разрушению покрытия, определяется категорией дороги и дорожно-климатической зоной: в северных районах нашей страны большей частью наблюдаются трещины и выкрашивания, в южных — преобладают деформации в виде наплывов, волн и сдвигов |>, 5, 12].

Анализ требований, предъявляемых к асфальтобетону с целью повышения его долговечности, выдвинутых в ряде работ [в, 10, IlJ показывает, что наиболее общими из них являются требования, направленные на обеспечение сдвигоустойчивости, деформативной и температурной устойчивости, а также коррозионной устойчивости асфальтобетона. Если учесть, что уменьшение долговечности асфальтобетонных покрытий является следствием таких основных дефектов, как трещины, шелушение и выкрашивание, составляющие на внегородских магистралях 83−87%, а в городах — 65−70% от всего объема дефектов [е] то становится объяснимым выдвижение на первый план требований обеспечения коррозионной устойчивости асфальтобетона [14]. Шелушение и выкрашивание покрытия прежде всего свя зано с недостаточной водо — и морозоустойчивостью асфальтобетона, а поскольку покрытие наиболее подвержено воздействию воды и знакопеременных температур воздуха, то надлежащая коррозионная устойчивость асфальтобетона является решающим условием долговечности асфальтобетонных покрытий.

В наибольшей степени асфальтобетонное покрытие разрушается при длительном или периодическом увлажнении, причем разрушения существенно интенсифицируются в результате попеременного замора? живания и оттаивания.

Особо благоприятные условия для выкрашивания покрытия, приводящие к интенсивному износу верхнего слоя асфальтобетона или к образованию разрушений типа выбоин, создаются при совместном дей ствии на асфальтобетон веды, температуры и механических усилий. В [l5] отмечается, что в этом случае в основе разрушения асфальтобетонного покрытия лежит его пониженная адгезионная и когезион ная прочность.

Изучение коррозионной устойчивости асфальтобетона [s] с точки зрения повышения срока службы покрытия позволило установить, что данная характеристика зависит от плотности асфальтобетона, ха рактера и устойчивости сцепления битума с каменными материалами, а также от интенсивности процессов старения.

Таким образом, повышение долговечности асфальтобетона за счет увеличения его коррозионной устойчивости может быть обеспечено путем повышения плотности асфальтобетона, создания благопри- 10 ятных условий для прочного сцепления битума с поверхностью минеральных материалов и замедления процессов старения битума в асфальтобетоне.

Обеспечение коррозионной устойчивости асфальтобетона позволяет повысить также и износостойкость его, являющуюся одним из критериев долговечности покрытия. В работе [ю] отмечается, что этот показатель определяется не только свойствами каменного материала, но в значительной степени и структурой асфальтобетона, главным образом, прочностью связей между битумом и минеральным материалом, устойчивостью их под воздействием погодно-климати-ческих факторов. В свою очередь, характер образовавшихся связей в зоне контакта битума с минеральной поверхностью обеспечивается, главным образом, свойствами битума.

Большинство из существующих в настоящее время путей повышения долговечности асфальтобетонных покрытий как раз и преследуют цель улучшения коррозионной устойчивости асфальтобетона за счет создания оптимальных условий для эффективного взаимодействия битума с минеральными материалами.

1.2. Существующие пути повышения долговечностиасфальтобетонаФормирование структуры асфальтобетона в необходимом направлении требует целенаправленного воздействия на составляющие его материалы. В настоящее время применяемся целый ряд способов, позволяющих регулировать процесс структурообразования асфальтобетона, начиная со стадии смешения минеральных материалов с битумом и до завершающей фазы формирования асфальтобетона в покрытии. В основе всех способов лежит принцип создания дополнительных возможностей для более полного и прочного взаимодействия битумного вяжущего с минеральным материалом. Условно эти способы можно разделить на четыре основные группы: — модификация битумов [l6, 17, 18, 1э) — применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) {20, 21, 22, 23, 24] — гидрофобизация поверхности минеральных материалов [25, 26, 27, 28, 2э] — физико-химическая активация минеральных материалов [s, 30, 31, 32].

Согласно современным воззрениям на сущность процессов струк-турообразования в асфальтобетоне, прочная адгезионная связь между пленкой адсорбированного битума и поверхностью минерального материала может образоваться лишь при наличии достаточного числа функциональных или полярных групп в битуме и соответствующих активных центров на минеральной поверхности. Подобные взгляды основываются на положениях адсорбционной теории адгезии [зз, «установившей четкую взаимосвязь между числом функциональных групп и интенсивностью адгезионного взаимодействия. Характерная зависимость адгезионной прочности от содержания в адгезиве функциональных групп приведена на рис. I.I. [з4^.

Практика использования нефтяных дорожных битумов при производстве асфальтобетонных смесей показывает, что во многих случаях битумы оказываются недостаточно активными, и в связи с этим при обработке ими минеральных материалов образуют лишь слабые связи за счет физической адсорбции, что отрицательно сказывается на устойчивости битумной пленки к действию температуры, влаги и механических факторов. Это обусловило необходимость изыскания способов улучшения качества битумов, в частности, создания условий дляt. S г4 32 4tS MomjrРис Л Л. Зависимость адгезионной прочности полимера от содержания функциональных групп/ образования достаточно устойчивой адгезионной связи битума с минеральным материалом.

Существование тесной зависимости свойств органических вяжущих материалов от химического состава и содержания в них полярных групп открыло широкие возможности для модифицирования структуры и регулирования свойств битумов с помощью введения в них различных полимерных материалов и продуктов химической и коксохимической промышленности, главным образом, отходов, имеющих в своем составе повышенное количество реакционно-способных углеводородов.

В работах [l7, 19] отмечается целесообразность применения полимерно-битумных композиций, соединяющих в себе технологические и экономические достоинства битумов с трещиностойкостью и эластичностью полимеров. При этом полимерные модификаторы, в зависимости от их влияния на структуру битума, разделяются на пла-^ стнфицирующие и структурирующие. В ряде других работ [l6, 18, Зб]дан глубокий анализ способов управления структурой битума, в том числе и введением полимеров. Показано [i?] что полимерно-би-тумные композиции, характеризующиеся комплексом новых свойств за счет введения высокомолекулярного компонента, являются одной из разновидностей компаундированных битумов, отличающихся повышенным качеством [зб, 37]. В подтверждение гипотезы о различном механизме действия полимерных модификаторов на структуру битума приводятся данные [l6, 18] показывающие более высокую эффективность введения полимера (ДСТ) в битум из раствора в ароматических углеводородах, по сравнению с введением полимера непосредственно в расплав битума. Это объясняется адсорбированием макромо-д лекул ДСТ на асфальтенах, каркас которых пептизирован ароматическим растворителем, и образованием в дальнейшем сплошной пространственной сетки модифицированного битума.

Способность ароматических углеводородов пептизировать ас-фальтены отмечалась во многих исследованиях |24, 38, 39, 40, 4-новые углеводороды отличаются в ?-3 раза меньшей растворяющей способностью, а парафиновые углеводороды совершенно не способны растворять асфальтены.

Можно сделать вывод, что изменением углеводородного состава вводимой в битум добавки возможно изменять структуру и свойства битумов, главным образом, за счет изменения состояния асфальте-нов, которое должно повлиять на процессы взаимодействия между битумом и минеральным материалом"Исследования И. М. Руденской, В. Н. Финашина и др.^45, 46, 47,48, 491 показали, что введение ароматических соединений оказывает положительное влияние на свойства битумов. При этом подчеркивалось, что такие соединения подвержены интенсивному окислению кислородом воздуха, особенно при повышенной температуред. сопровождающемуся отщеплением водорода с образованием молекул воды и конденсацией молекул по местам обрыва атомов водорода. В связи с этим может возникнуть опасность увеличения окислительной способности битума.

С другой стороны, необходимо иметь в виду опасность увеличения водорастворимости битума при повышении его полярности, поскольку полярные группы ароматических углеводородов гидрофильны. В связи с этим при выборе вида и количества присадок к битумам следует руководствоваться соответствующими положениями теории адсорбции органических вяжущих материалов [з4, 50, 5lJ. Согласно этой теории, реакционно-способные группы, имеющиеся в вяжущем материале, при объединении с минеральным материалом ориентируются вС другой стороны, было установленочто нафтеv поверхностном слое следующим образом: полярная группа вяжущегов сторону более полярной фазы, т. е. минерального материала, а неполярная часть молекул — в сторону менее полярной фазы, т. е. битума. Таким образом, разность полярностей между контактирующими фазами выравнивается, а энергия взаимодействия — увеличивается.

На основании этих данных можно сделать вывод, что количество полярных групп в органическом вяжущем материале, не влияющее на повышение его водорастворимоети, не должно превышать определенного предела, при котором обеспечивается образование молекулярного слоя этих групп на поверхности раздела «вяжущее — минеральный материал» .

Исследованиями Н. С. Дараган [52] установлено, что увеличение кислотных чисел битума с присадками смол (кумароновых, фенольных) до 4−5 мг КОН по сравнению с кислотными числами исходных битумов (менее I мг КОН), при резком увеличении адсорбционной способности i новых вяжущих, способствует увеличению при этом гидрофобностиэтих материалов.

Использование в качестве присадок к битумам отходов коксохимической промышленности, дегтей и других материалов в настоящее время исследуется в ХАДИ [53, 54, 5б]. Получены обнадеживающие результаты, хотя в ряде случаев наиболее приемлемые отходы, с точки зрения их использования для нужд дорожного строительства, оказываются довольно дефицитными.

Другим направлением, преследующим цель повышения долговечности асфальтобетонных покрытий, является использование специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ). В ряде исследований, посвященных вопросу повышения качества битумов, показана возмож-v ность и целесообразность использования ПАВ для увеличения активности битумов и тем самым повышения их адгезионных свойств. В ра- 16 ботах П. А. Ребиндера, В. В. Михайлова, А. И. Лысихиной, А.С.Колбанов-ской и др. [22, 24, 56, 57, 58,59, бо] отмечается, что введение в состав битума таких добавок благотворно сказывается на образовании и формировании прочных связей битума с поверхностью минеральных материалов.

В настоящее время исследованы и применяются множество разновидностей ПАВ. Более эффективными являются катионактивные ПАВ [20, 61, 62, бз] однакр в большинстве своем они довольно дороги и дефицитны. Что же касается анионактивных добавок, то многие из них [24,37] вызывают побочные явления в битуме и асфальтобетоне, катализируя процессы старения, и прежде чем применять ту или иную добавку, требуется проводить дополнительные исследования с использованием применяемых каменных материалов для выяснения специфики действия ПАВ.

Следует принимать во внимание специфический механизм действия ПАВ, определяемый структурным типом или активностью битума, который отмечается в работе [24] и заключается в следующем. В случае применения активных битумов, а также битумов 1-го структурного типа, имеющих структурную сетку асфальтенов, определенная часть вводимых в битум ПАВ катионактивного типа вступает во взаимодействие с полярными соединениями битума (органическими кислотами или полярными группами асфальтенов), что значительно снижает эффективность действия ПАВ.

Значительный интерес представляют результаты исследований [24] в которых установлено двоякое действие ПАВ класса высокомолекулярных карбоновых кислот на битум: пластифицирующее, связанное с растворением ПАВ в углеводородах битума, и пептизирующее, сводящееся к растворению асфальтенов. На особую роль пептизации агрегатов дисперсной фазы, способствующей повышению адсорбционных процессов, обращалось внимание в работе [бЭ^ •В результате совместного действия пластифицирующего и пепти-зирующего эффектов повышается гидрофобизирующая способность битума, которая используется в технологии асфальтобетона. сопровождающаяся взаимодействием активных функциональных групп битума с минеральным материалом, приводит к снижению химической активности вяжущего и к замедлению процессов окисления и полимеризации.

При использовании способа гидрофобизации поверхности минеральных материалов преследуется цель создания такой поверхности, которая бы лучше смачивалась битумом, что создает предпосылки для более интенсивного взаимодействия на границе раздела фаз — «битум-минеральный материал». Целесообразно гидрофобизировать гидрофильные минеральные материалы гранитных пород, в наименьшей степени склонных к полноценному взаимодействию с битумом. В то же время получила развитие гидрофобизация минеральных порошков и пористых известняков, необходимость которой подчеркивалась многими исследователями? s5, 26, 27, 28, бб]. При приготовлении асфальтобетонной смеси на гидрофобизированных материалах уменьшается длительность перемешивания смеси, повышается ее однородность. Способ гидрофобизации позволяет улучшить свойства целого ряда отходов промышленности, применяемых в качестве минерального порошка [бб•Вместе с тем необходимо отметить ряд особенностей, присущих способу гидрофобизации и влияющих на ее эффективность. Прежде всего, эффект гидрофобизации зависит от структуры битума, а также от количества и природы содержащихся в нем асфальтенов.

Согласно [29, 39, 48, 4э] повышение содержания в гидрофоби-зирующей смеси ароматических углеводородов способствует росту однородности и качества битумов, а также стабильности их свойств. подчеркивается, что гидрофобизацияНаиболее важно при гидрофобизации обеспечение оптимального содержания ПАВ. Как показывают данные работ js8, 67, 6в] «избыточное количество ПАВ приводит к гидрофилизации минеральной поверхности или битума, к солюбизации воды, что вызывает интенсивное разрушение асфальтобетонных покрытий, особенно при воздействии знакопеременных температур и транспортных нагрузок. В рядеПАВ, вводимых в битум, также вызывает снижение водои морозостойкости асфальтобетона и способствует развитию микротрещин при циклических нагружениях, особенно в присутствии воды. В работе [зв] особо подчеркнута необходимость соблюдения оптимального содержания ПАВ в гидрофобизирующей смеси, при этом более эффективным признается способ обработки с помощью ПАВ непосредственно минеральной поверхности.

В последние годы, благодаря разработкам Л. Б. Гезенцвея и его учеников ?8, 30, 31, 32, 72J получил распространение новый метод гидрофобизации минеральных материалбв, основанный на эффекте использования специфических свойств поверхностей минеральных материалов, образующихся при их измельчении или дроблении совместно с битумом и ПАВ. При этом имеет место не только физическая модификация поверхности минеральных материалов, но и используется особое энергетическое состояние минеральных поверхностей, возникающее в процессе механо-химических превращений и способствующее такому их взаимодействию с различными веществами, используемому для модификации, которое невозможно при обычных условиях технологической переработки материалов [зо! Получаемый эффект весьма значителен. За счет подобной физико-химической активации минерального порошка, песка, гравия резко улучшаются основные показатели свойств асфальтобетона, в том числе прочность и водоустойчивость, другихотмечается, что повышенное содержаниепри снижении расхода битума.

В работе [73] подчеркивается, что при физико-химической активации минеральных порошков на поверхности зерен образуется структурно-механический барьер, состоящий из пленки битума с ПАВ, хемоадсорбционно связанный с минеральной поверхностью и препятствующий прониканию битумных компонентов вглубь минеральной частицы. С другой стороны, в ряде исследований отмечают положительное влияние фильтрации легких компонентов битума в минеральный материал на устойчивость асфальтобетона к факторам старения [б4, 66, 74].

В целом же необходимо отметить, что при изучении вопросов взаимодействия битумов с минеральными материалами и формирования структуры асфальтобетона основное влияние уделялось минералогическому составу, структуре, пористости, форме зерен частиц минерального материала (преимущественно минерального порошка).

Данные, полученные в исследованиях^ЗО, бб) позволяют учесть роль процессов взаимодействия битума с минеральными порошками различного происхождения и тем самым обеспечить устойчивость асфальтобетонного покрытия действию температурных и окислительных факторов. В то же время в этих работах недостаточно отражена роль битума в процессах структурообразования асфальтобетона при целенаправленном воздействии на его структуру.

Несмотря на специфичность каждого из перечисленных методов, цель у них одна: обеспечить оптимальные условия для протекания процессов взаимодействия между битумом и минеральным материалом в зоне их контакта, и тем самым повысить коррозионную устойчивость и долговечность асфальтобетона.

Следует также обратить внимание и на то, что в каждом методе в той или иной степени происходит воздействие на структуру биту- 20 ма, которое необходимо учитывать как в процессе производства битума, так и при приготовлении асфальтобетонных смесей. Необходимо отметить, что такие вопросы, как процесс совмещения битумов с модификаторами, заряд минеральной поверхности и адгезионная связь битума с каменным материалом, влияние механохимических воздействий на структуру и свойства битумов, эффективность действия ПАВ с учетом факторов старения и ряд других решены еще недостаточно полно.

В то же время в ряде исследований [il, 15, 1б] настоятельно подчеркивается важность и полезность глубокого изучения структуры битума, путей изменения ее с целью получения битумов требуемого качества. Результаты исследований такого направления позволяют установить взаимосвязь структур битума и асфальтобетона, характер процессов взаимодействия на границе раздела фаз битум — минеральный материал, тем самым раскрывая новые возможности для управления этими процессами, как наиболее существенными с точки зрения стабильности свойств асфальтобетона.

1.3. Влияние структуры и свойств битумов на процессы взаимодействия их с поверхностью минеральныхматериалов1.3.I Современные представления о структуре и свойствахбитумовСвойства полимерных смол, а также нефтяных битумов определяются их структурой, характеризуемой строением и размерами элементарного звена, формой макромолекул структурных элементов вяжущего, взаимным расположением составляющих материал компонентов и молекулярным взаимодействием между ними [47, 51, 75, 76, 77]. В частности, академик П. А. Ребиндер отмечал, что свойства битумов определяются., главным образом, характером пространственных структур, образующихся в нем из беспорядочно распределенных в низкомолекулярной среде частиц различной величины и отдельных макромолекул [78].

Изучение структуры битума необходимо также для правильного понимания его роли в формировании структурных оболочек на поверхности минеральных частиц при производстве асфальтобетонных смесей. В [77] подчеркивается, что при правильном подходе к битумам их можно «лепить11, активизируя свойства битумов, и таким образом регулировать их качественные показатели в зависимости от области применения. Тем самым будут удовлетворяться требования физико-хи-мической механики, науки о способах направленного изменения свойств материалов [79].

Исследованию структуры и свойств битумов были посвящены многие работы советских и зарубежных ученых. В результате возникло несколько различных представлений о структуре битумов. Согласно исследованиям ®-.Нелленштейна, И. Пфейффера, Р. Саала, С. Р. Сергиенко [80, 81, 82, 47J битум представляет собой коллоидную систему мицеллярного строения, в которой ядро из асфальтенов с адсорбированным на нем слоем смол находится в углеводородной масляной среде. Аналогичного взгляда на структуру битумов придерживался П. А. Ребиндер.

Концентрация асфальтенов и тип петроленов влияют на характер течения битумов. Согласно результатов исследований Ч. Макка, при обычных условиях в битумах отсутствуют частицы коллоидных размеров.

Развитием представлений о структуре битумов явились работыдах битум рассматривается как сложная дисперсная система с дисперсной фазой из асфальтенов, распределенных в дисперсионной среде, состоящей из масел и смол. При этом нередко асфальтенам отводилась роль активного структурного наполнителя, количественное содержание которого оказывало существенное влияние на свойства битумов.

Одновременно с понятиями о коллоидной структуре развиваются представления [зб, 39^ о битумах, как растворе асфальтенов в низкомолекулярных смолах и маслах, что позволяет отнести битумы к растворам высокомолекулярных соединений.

Своеобразная трактовка структуры битума представлена в исследованиях А. С. Колбановской, обобщенных в работе в которой битум рассматривается как пространственная дисперсная система, дисперсная фаза которой — асфальтены, обладающие мозаичной лио-фильно-лиофобной поверхностью, — характеризуются способностью набухать в масляной среде, структурированной смолами.

Анализируя различные теории и взгляды на строение и структуру битумов, можно отметить, что даже при диаметрально противоположном подходе к этому вопросу все существующие представления в качестве основного структурообразующего компонента битума выделяют асфальтены. Что же касается строения битумов — коллоидного, дисперсного или в виде высокомолекулярного раствора, то это, веИ.А.Рыбьева, Р. Б. Гердлера, Р. Тракслерароятно, существенно зависит от факторов температуры, вязкости битума и условий испытания, при которых определяются те или иные его свойства. Ряд положений, касающихся структуры и взаимосвязи компонентов битума, остается справедливым для всех теорий. В то же время следует подчеркнуть, что ни одна из существующих теорий в настоящее время не в состоянии объяснить все многообразие свойств битумов в широком диапазоне температур и времен действия нагрузок.

Общепризнано в настоящее время разделение битумов на три типа структур. Согласно А. С. Колбановской [87] - это I, П и Ш структурные типы битумов, по ?85] - это структуры типа золь, гель и золь-гель. По первой классификации за основу принято количественное содержание и соотношение основных структурообразующих компонентов битума — асфальтенов, смол и масел, по второй, фактически, то же, но без жестких ограничений, характерных для первой.

Ц Нельзя не отметить насколько механистический характер упомянутых классификаций, затрудняющий возможность достаточно четко установить степень влияния на структуру и свойства битумов таких факторов, как природа нефти, технология получения битумов и ряд других.

В то же время полезность разделения битумов на структурные типы несомненна.

Битумы, относящиеся к различным структурным типам, характеризуются специфическими свойствами, в конечной степени определяющимися соотношением структурных составляющих битума и, главным образом, наличием или отсутствием структурной сетки из асфальтенов.

1 Исследования реологических свойств битумов различных структурных типов в процессе стационарного течения, а также при перим одическом сдвиговом деформировании, результаты которых приведены в? предопределили новый подход к характеристике их структуры, согласно которому битумы I структурно-геологического типа являются типично дисперсными системами, битумы П типа относятся к полимерным системам, а битумы Ш типа — занимают промежуточное i положение. Тем самым было подтверждено, что наличие того или иного типа структуры обусловливает структурно-механические и, что очень важно, деформационные свойства битумов в широком интервале эксплуатационных температур. Одновременно особенности, тип и состояние асфальтенов и других структурных элементов не могут не сказаться на способности битумов подвергаться химическим и физико-химическим изменениям под действием кислорода воздуха, поверхности минеральногоматериала, воды, при технологической переработке битума и асфальтобетона, а также в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия.

Существенную роль при оценке качества битумов играет поведение их при воздействии различного рода нагрузок — механических или температурных. При разрушении коагуляционного каркаса из асфальтенов происходит резкое снижение вязкости битума, однако этот процесс протекает неодинаково для битумов различного структурного типа [24, 36, isj.

Определяющее, в большинстве случаев, влияние содержания асфальтенов на структуру и свойства битума объясняется, помимо других причин, также и их повышенной активностью. Компоненты битумов содержат различное количество активных функциональных групп, при этом кислотные числа, косвенно характеризующие активность, у асфальтенов значительно превышают средние кислотные числа других компонентов и находятся в пределах 0,7−2,0 мг КОН. Наиболее высокими кислотными числами обладают асфальтены битумов, получен/ ных окислением гудронов прямой перегонки нефти, у всех битумов достаточно велики также и значения йодных чисел асфальтенов, что дополнительно свидетельствует о значительной реакционной способности этих компонентов [24].

Данные элементарного анализа показывают, что по сравнению с другими компонентами битумов асфальтены обогащены углеродом и обеднены водородом, что ведет к значительному повышению степени их ароматичности. Как правило, для асфальтенов С: Н выше 10. Это подтверждается данными по строению асфальтенов.

Асфальтены являются одним из наименее исследованных компонентов битума, причем до настоящего времени не существует единого взгляда на их природу, структуру и свойства.

Обычно к асфальтенам относят наиболее высокомолекулярную францию битумов, нерастворимую в легких растворителях. Достаточно подробный анализ методов выделения асфальтенов приведен в ^85^ t причем следует отметить значительную противоречивость данныхтолько по растворимости асфальтенов. В результате исследований [вв] предложена структура асфальтенов, представляющая собой упорядоченные агрегаты в виде плоских пластин толщиной 15 — 2о8 и радиусом 8 — 15Й. Такие пластины, характеризующиеся значительной полярностью, обладают ярковыраженной способностью адсорбировать другие вещества, обладающие полярностью, в частности, смолы битума, тем самым образуя своеобразный экран. Кроме того, было установлено, что основу химического строения асфальтенов составляют полициклические системы, которые обнаруживают слабо выраженную кристалличность, зафиксированную рентгенографическим анализом [89]. Согласно [эо] молекула асфальтена включает в себя ядро супорядоченной структурой, которое обладает способностью отражатьрентгеновские лучи. В этой же работе отмечается, что в состав ядра должны входить ароматические углеводороды, а различные соединения парафино-нафтеновых углеводородов располагаются на периферии.

Авторы обобщающей работы по структуре и строению асфальтенов [9l] пришли к выводу, что асфальтены характеризуются довольно несовершенной кристаллоподобной структурой.

Подобное различие во взглядах на структуру и свойства асфальтенов нашло свое отражение и в большом количестве и разнообразии предлагаемых гипотетических моделей строения асфальтенов [85,9l], В то же время общим для большинства типов структурного построения асфальтенов следует считать наличие конденсированных ароматических структур, которые, главным образом, и обусловливают эффект парамагнитного поглощения в асфальтенах, регистрируемый методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и свидетельствующий о присутствии в них неспаренных электронов или свободных радикалов (б9, 8, 4о]. Эти данные дополнительно подтверждают высокую реакционную способность асфальтенов, проявляющуюся при взаимодействии битумов с каменными материалами.

Весьма существенным является обнаружение роста количества свободных радикалов в процессе механического разрушения битумов [эй, 9з] что можно объяснить существованием именно в асфальтенах достаточно больших резервов активных свойств, поскольку смолы преимущественно характеризуются более низким эффектом парамагнитного поглощения, а масла в этом отношении довольно инертны.

Для молекул смол характерна большая разветвленность, степень развития которой зависит от природы и соотношения структурных составляющих. Несмотря на то, что смолы довольно затруднительноохарактеризовать одинаковой химической структурой [W| все же, согласно [эб] основными структурными элементами смол можно считать конденсированные системы, состоящие из ароматических, нафтеновых и гетероциклических колец, соединенных короткими алифатическими мостиками, и содержащие в кольце один или несколько алифатических заместителей.

В работе [12] утверждается, что асфальтены и смолы состоят из одинаковых химических групп, а количественное содержание таких групп вызывает отличие в их строении. В то же время данные [96, 97^ показывают, что по дифракционной картине рентгеновских лучей возможно обнаружить определенную кристалличность асфальтенов, агпоскольку смолы такой картины не дают, то их следует отнести к аморфным веществам. Достаточно убедительно показано, что по мере перехода от смол к асфальтенам повышается ароматичность вещества с одновременным повышением числа конденсированных ароматических колец в структуре, что создает определенную ее упорядоченность.

Исследования состава и свойств высокомолекулярных углеводородов (масел), находящихся в битумах, были проведены С.Р.Серги-енко с сотрудниками [98,99^. Было отмечено, что на структуру битумов существенное влияние оказывает количественное соотношение парафино-нафтеновых углеводородов и группы ароматических углеводородов, класса моно-, би, и полициклических.

Таким образом, обобщая имеющиеся в настоящее время данные по структуре битумов, можно с доетаточной уверенностью заключить, что их основным структурообразующим элементом являются асфальтены, представляющие собой конденсированные ароматические структуры с высокой активностью, реализаций которой в процессе взаимодействия битума с минеральными материалами должна способствовать повышению качества асфальтобетона.- 28 1.3.2. Факторы, влияющие на адгезионную способностьбитумовБитум, являясь главной составной частью асфальтового бетона, должен отвечать определенным требованиям, характеризующим его технологические, строительные и эксплуатационные свойства. Поскольку прочность и долговечность дорожных одежд, устраиваемых с применением битума, в значительной мере зависит от условий протекания процессов взаимодействия между битумом и минеральным материалом, то наиболее целесообразно рассматривать поведение битума в смеси его с минеральными материалами, учитывая при этом структуру и свойства битума как вяжущего материала.

Характер структурных связей, образующихся между минеральными частицами и прослойками битума, зависит от свойств битума, структурного типа, толщины его пленок на минеральных зернах, состояния поверхности и природы минерального материала.

Установлено ?l00, 101, 102, 103, loij что образование таких связей обусловливается физическими и химическими адсорбционными процессами, протекающими на поверхности раздела фаз «минеральный материал — битум» .

Процессу взаимодействия битума с каменным материалом, завершающемуся установлением между ними прочной адгезионной связи (сцеплением), предшествуют акты смачивания поверхности каменного материала битумом и адсорбирования на ней поверхностно-активных компонентов битума.

Способность битума смачивать поверхность каменного материала и в дальнейшем образовывать прочную адгезионную связь обусловливается избирательной адсорбцией в пограничном слое компонентовбитума при одновременном снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз.- 29 Энергия взаимодействия битума с минеральным материалом равна уменьшению их суммарной поверхностной энергии (поверхностного натяжения) на границе с воздухом при образовании общей поверхности раздела «минеральный материал — битум». Таким образом, чем меньше поверхностное натяжение битума на границе с воздухом и, соответственно, чем меньше угол смачивания, тем сильнее будет проявляться адгезионное взаимодействие между битумом и смачиваемым им минеральным материалом. Подобная точка зрения на взаимосвязь между явлениями смачивания и адгезии характерна для целого ряда исследований [l05, Юб]. В то же время, согласно другим работам, хорошее смачивание не может гарантировать прочной адгезионной связи битума с минеральной поверхностью. Такой взгляд подтверждается результатами исследований Б. В. Дерягина и П.П.Кобе-ко [l07, 108] установившими, что адгезия затвердевшей пленки не является величиной, тесно связанной со способностью данного вещества (в нашем случае битума) смачивать в жидком состоянии поверхность, на которой образуется пленка.

Определенное влияние на способность битума к смачиванию минеральной поверхности оказывает его вязкость. Однако единого мнения о роли смачивания и его влиянии на процессы взаимодействия в асфальтобетоне в настоящее время не имеется. Одни исследователи придерживаются взгляда, согласно которому адгезия битума к минеральному материалу связана прямопропорциональной зависимостью с его смачивающей способностью [83, Юэ] другие [24, 6lJ отвергают подобную зависимость.

Вероятно, такие противоречивые суждения вызваны тем, что не всегда учитывается химическая структура битума, активность его, содержание в нем полярных компонентов, что существенно влияет на адгезионную способность битума. В этой связи уместно сослаться наработу П. А. Ребиндера [77] в которой достаточно убедительно показана несостоятельность противопоставления адгезии когезии в том случае, когда не учитываются изменения структурных свойств битумов при различных температурах.

Оценка влияния природы минерального материала на смачивание остается до настоящего времени также неопределенной. В этом вопросе представляет интерес точка зрения [iIO.IIlJ по которой деление материалов на гидрофобные и гидрофильные (с предложением о лучшей смачиваемости битумом первых) считается, по меньшей мере, неоправданной. Еще более категоричен в этом вопросе И. А. Рыбьев [12] утверждающий, что смачиваемость, в основном, обусловливается кристалло-химическими особенностями минералов и по этой причине вовсе следует отказаться от специальной характеристики «смачивающей способности» битума.

Какова бы ни была истина, видимо, не следует преувеличивать роль способности битума в нагретом состоянии смачивать минеральную поверхность. В конечном итоге, акт смачивания должен быть закреплен достаточно устойчивой адгезионной связью затвердевшего битума с минеральным материалом, только такая связь обеспечит удовлетворительные эксплуатационные свойства асфальтобетона. В этой связи необходимо отметить, что положения общей теории адгезии жидкостей [юб] касающиеся понятий адгезии и смачивания и трактующие акт смачивания как результат адгезионных взаимодействий, вряд ли возможно распространять на систему «битум — минеральный материал», поскольку в этой системе именно создание условий для полноценного обволакивания и смачивания битумом минеральных частиц предопределяет установление между ними адгезионной связи. Естественно, что дальнейшее протекание процесса формирования адгезионной связи уже будет определяться основными факторами, изученными в теории адгезии [з4,51,75,Ш, Пз] главными среди которых являются: наличие полярных элементов в битуме, температура, при которой происходит взаимодействие, и длительность контакта, предшествующая сцеплению пленки битума с минеральной поверхностью.

К данному моменту вопросы адгезионных взаимодействий в наибольшей степени разработаны для полимеров, но тем не менее существует множество объяснений сущности адгезии. Одни авторы [пб) определяющим фактором адгезии считают хемосорбцию функциональных групп веществадругие [in] утверждают, что прочная адгезионная связь не может установиться между неполярным и полярным веществамитретьи [51] относят явление адгезии к поверхностному процессу, результатом которого является только адсорбция определенных участков молекул адгезива на поверхности подложки.

По мнению А. Ставермана и др. [зз] явление адгезии в существенной мере зависит от строения, а, следовательно, и от энергии поверхностных сил контактирующих материалов, и заключается в капиллярном подъеме или отталкивании и смачивании. При этом отмечается, что полярность склеиваемых веществ и величина адгезии дают лишь общее, главным образом, качественное представление об адгезионных явлениях и не позволяют произвести количественные расчеты. В теории асфальтовых бетонов, главным образом, используют и развивают отдельные положения коллоидной, физической химии, физико-химии полимеров, что создает известные трудности, связанные с целым рядом упрощений и допущений. Это относится и к вопросу определения адгезионных характеристик битума. В большинстве своем такие характеристики косвенные, основанные на оценке смещения битумной пленки с минеральной поверхности под действием различных сил.

Наибольшее распространение получил метод определения адгезионных свойств битума с помощью воздействия на битумоминеральную смесь кипящей водой, разработанный А. И. Лысихиной и усовершенствованный А. С. Колбановской. В результате многочисленных исследований с применением этого метода было установлено, что величина сцепления увеличивается с повышением вязкости битума jlI6, 11^. Тем самым подтвердились выводы [22] полученные для битумов из однородного сырья. Одновременно было доказано, что величина адгезии прямо пропорциональна начальному покрытию поверхности минеральных частиц битумом, зависящему от тщательности перемешивания битума с минеральными материалами.

При изучении адгезионных свойств битумов значительное внимание уделялось как их структуре, так и характеристике минеральных материалов, условиям приготовления асфальтобетонных смесей [lI8, 119, 120] • При этом обнаружено повышение адгезионной способности битумов с увеличением их интервала пластичности, что объясняется повышением содержания ароматических углеводородов и смолистых веществ, приводящих к росту полярности битумов.

Оценка роли асфальтенов в процессе структурообразования асфальтобетона и его старения неоднозначна. Наряду с утверждениями об отрицательном влиянии повышенного содержания асфальтенов в битумах на стабильность свойств асфальтобетонов существуют и противоположные воззрения, в некоторых работах особо подчеркивается определяющая роль асфальтенов в процессах взаиможействия биличение содержания асфальтенов в битуме оказывает положительное влияние на качество и устойчивость к старению асфальтобетона, поскольку асфальтены, характеризующиеся повышенной адсорбционной способностью, образуют на зернах минерального материала устойчитумов с минеральными материалами. Согласно- 33 вую пленку. В работе [l24j отмечается, что повышенная устойчивость асфальтобетонов при положительных и отрицательных температурах может быть обеспечена повышением содержания асфальтенов в битуме.

По всей видимости, различие во взглядах на роль асфальтенов при старении асфальтобетона объясняется недостаточной изученностью этого вопроса. Можно полагать, что характер влияния асфальтенов на протекание процессов взаимодействия в асфальтобетоне существенным образом зависит от их структурного состояния и вероятности образования адгезионного контакта с минеральной поверхностью. В этой связи представляют интерес данные о высоком качестве природных битумов (или асфаяьтов), среди которых выделяется тринидадский. Этот битум состоит из 44% мелкозернистого минерального порошка и 56% битума, очень богатого асфальтенами, благодаря которым тринададский битум отличается исключительно высокими вяжущими (т.е. адгезионными) свойствами.

Что же касается большинства применяемых в настоящее время в дорожном строительстве битумов (кроме крекинговых), то они могут смочить минеральный материал и образовать с ним устойчивую адгезионную связь в присутствии воды лишь с помощью искусственных приемов (применение различных добавок ПАВ, активаторов) или при условии образования вяжущего специального состава и структуры, обладающего особым сродством с минеральным материалом.

Характер процессов, происходящих на границе раздела фаз «битум — минеральная поверхность», определяет прочность сцепления между ними. Согласно исследованиям П. А. Ребиндера [77] наиболее прочная связь достигается при химически фиксированной адсорбции битума с образованием на минеральной поверхности хемосорбционных соединений типа мыл, катион которых находится в кристаллическойрешетке минерального материала, а анион — в составе битума.

В большинстве исследований, посвященных изучению вопроса взаимодействия битума с минеральными материалами, подчеркивается зависимость прочности адгезионной связи от количества и характера активных соединений битума, молекулы которых состоят из полярных и неполярных групп. Наличие таких соединений приводит к образованию на поверхности минеральных материалов слоя ориентированных молекул, от типа и устойчивости которого в значительной степени зависит долговечность и качество адгезионного контакта битума с каменным материалом. Являясь следствием процесса адсорбции, сила сцепления (адгезии) зависит от числа адсорбционных центров, приходящихся на единицу поверхности минеральной частицы, и от поверхностной химической фиксации адсорбированного слоя молекул.

На границе с поверхностью каменного материала молекулы компонентов битума образуют ориентированный слой, однако необходимо t отметить, чю этот процесс затягивается на длительное время ввидуотносительно высокой вязкости битума, уменьшающей скорость ориентации его молекул в граничном слое. Снижение вязкости битума температурными или иными воздействиями должно способствовать ускорению процесса адсорбции и упрочнению их адгезионной связи с поверхностью каменных материалов в асфальтовом бетоне.

Поскольку адгезионные свойства битумов зависят от полярности их компонентов [24, 37, 52, Х2б][ то они могут быть охарактеризованы электропроводностью в неполярных растворителях, или диэлектрическими показателями. Установлено, что с повышением молекулярной массы асфальтенов, входящих в состав битума, улучшаются его адгезионные свойства, повышается коэффициент водоустойчивости и снижается коэффициент теплостойкости асфальтового бетона, приготовленного на этом битуме [24, 83, 127^.

Важным показателем выступает величина поверхностного натяжения битума на границе с каменным материалом, снижающегося с повышением содержания в нем поверхностно-активных веществ и функциональных групп, что ведет к возрастанию адгезионной способностиТаким образом, обобщение результатов исследований, связанных с вопросами взаимодействия битума с минеральными материалами, показывает, что определяющими факторами адгезии являются: наличие в битумах полярных соединений, среди которых находятся наиболее активные компоненты битума — асфальтеныобеспечение условий не только для смачивания битумом минеральной поверхности, но и для фиксации образовавшихся связей, установившихся в процессе адсорбционного взаимодействия.

Объективный учет названных факторов, увязанных со структурой битума, даст возможность обеспечить образование устойчивого адгезионного контакта между битумом и минеральным материалом и тем самым повысить водои коррозионную устойчивость асфальтобетона, продлить его срок службы в покрытии, 1.3.3. Влияние интенсивности процессов взаимодействия между битумом и минеральным материалом на качество асфальтобетонаАнализируя существующие в настоящее время взгляды на особенность и значение процессов смачивания, адсорбции и адгезии битума к минеральным составляющим асфальтобетона, необходимо отметить что эти процессы лишь условно можно рассматривать изолированно друг от друга. В действительности они протекают почти одновременно, взаимонак л адываясь, при этом, в зависимости от свойств битума технологических и температурных факторов, одни процессы могутбитумазамедляться, ослабляться за счет одновременного воздействия других, что в сумме может привести к существенному изменению структуры асфальтобетона, а в конечном счете и его свойств.

Вопросы взаимодействия битума с каменными материалами привлекают внимание исследователей по многим причинам и, главным образом, в связи с тем, что они тесно связаны с коррозионной устойчивостью асфальтовых бетонов, в частности, с водоустойчивостью. Как установлено, вода во многих случаях способна вытеснить битум с поверхности минерального материала, что объясняется более высокой энергией смачивания этого материала водой по сравнению с битумом. Смещение битума наступит после того, как воде удастся вступить в контакт с обнаженной минеральной поверхностью в какой-либо одной точке. Помимо этого, вода может вступить в контакт с поверхностью каменного материала также путем капиллярного проникания сквозь пленку вяжущего, характеризующегося некоторой пористостью. В любом случае вытеснение водой битума приводит к очевидной потере связи его с минеральной поверхностью, что вызывает преждевременное разрушение асфальтобетонных покрытий. Отсюда вытекает важность обеспечения в асфальтобетоне такой адгезионной связи битума с каменным материалом, которая обладала бы способностью оставаться ненарушенной даже при достаточно длительном воздействии воды или других веществ.

Процессы взаимодействия минеральных материалов с битумом в асфальтобетонных смесях и происходящие затем явления структурооб-разования относятся к одним из главных факторов, обеспечивающих качество асфальтобетона. Управление этими процессами является наиболее эффективным путем регулирования качества асфальтобетона.

Изучению процессов взаимодействия битума и других вяжущих с минеральными составляющими асфальтобетона, понимаемых как прочеесы структурообразования, посвящено множество работ. Исследования П. А. Ребиндера, В. В. Михайлова, Н. Н. Короткевича, А. И. Лысихиной, А. С. Колбановской, Й. М. Борщ, В. М. Смирнова, Л. С. Терлецкой и др.(77, 79, 2,11,100,101,24, 74,129,130,131,132] показали, что при объединении битума с каменными материалами протекают сложные физико-химические процессы, основанные на молекулярном взаимодействии, происходящем на границе раздела фаз «битум — минеральный материал». В работе [iooj значительная роль отводится адсорбционным процессам на поверхности раздела фаз контактирующих материалов. При этом отмечается, что процесс адсорбции в отношении битума носит избирательный характер. Однако, в этом, по сути, первом исследовании такого направления, почти не затронут вопрос влияния химического состава объединяемых материалов на интенсивность процесса взаимодействия.

Результаты работ, выполненных под руководством М. И. Волкова jl30,133,134j позволили более глубоко объяснить сущность процессов, происходящих при формировании структуры асфальтобетона. В этих работах показано, что физико-механические свойства асфальтобетона в значительной степени предопределяются интенсивностью и характером взаимодействия, происходящего на границе раздела фаз материалов. Наряду с этим, в ходе исследований были развиты положения о микро-, мезои макроструктуре асфальтобетона, вскрыта связь между структурами, найдены оптимальные значения содержания структурообразующих компонентов в зависимости от дисперсности каменных материалов и вязкости и структурного типа битума. При этом было установлено, что наряду с сорбционными процессами на поверх-ности минеральных частиц, важную роль играет также диффузия отдельных компонентов битума вглубь минерального материала. Диффузионная теория сцепления битумной пленки с минеральной поверхностью подтверждается работами С. С. Воюцкого [75, I3sJ.

Дальнейшие глубокие исследования физико-химических аспектов взаимодействия битумов с минеральными материалами? l3I, I32J показали, что прочность сцепления (адгезия) органических вяжущих непосредственным образом связана с сорбционными процессами, которым принадлежит главенствующая роль вообще в процессах взаимодействия всех материалов, представляющих собой гетерогенные системы с границей раздела фаз.

Многие исследователи, основываясь на том положении, что природа сил, обусловливающих сорбционные процессы, hdcht электрический характер, считают основным фактором, предопределяющим адгезию вяжущего к минеральной поверхности, заряд поверхности минеральных частиц. Так, согласно [8, Из] взаимодействие двух приведенных в контакт материалов обусловливается возникновением двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз, который появляется в результате ориентации полярных групп и состоит из электрических диполей вяжущего материала на минеральной поверхности, име ющей заряженные энергетически активные центры. Поскольку минераль ные материалы имеют кристаллические решетки с ионной связью, то при дроблении материалов происходит разрыв этих связей, в результате чего на минеральной поверхности образуется довольно сложное электрическое поле, потенциал которого зависит от расположения ионов на поверхности и их Свойств. В качестве примера приводится решетка кальцита, породообразующего минерала известняка. Она хао + О —растеризуется плотной упаковкой катионов Са* и анионов С03 которые чередуются в элементарных ячейках ромбоэдрической формы. В свою очередь, элементом структуры кварца выделен кремнекислород ный тетраэдр, в центре которого расположен положительный ион кремния Si, а по углам — отрицательные ионы которыми иопределяется знак заряда поверхности кварца"Необходимо заметить, что в дорожном строительстве не применяются чистые минералы и каменные материалы. В связи с этим знак поверхности минеральных частиц должен определяться преобладающими на их поверхности энергетически активными центрами, в случае же их равенства поверхность будет обладать двойным зарядом, что согласуется с данными £бз].

В ряде исследований [бб, 57, 87] утверждается, что в составе битума преобладают анионактивные соединения и этим объясняется хорошее сцепление битума с поверхностью карбонатных (основных) пород, проявляющееся в электростатическом взаимодействии между противоположно заряженными частицами компонентов битума и минеральных зерен. Неудовлетворительное сцепление битума с поверхностью кислых материалов (гранит, кварц), с точки зрения электростатической теории адгезии, объясняется отталкиванием битума от отрицательно заряженных центров минеральной поверхности.

В то же время необходимо заметить, что основываясь на подобных представлениях, нельзя учесть влияние химической природы объединяемых веществ на их адгезионную способность, так как известно, что чем выше полярность вещества, тем более прочной будет адгезионная связь при прочих одинаковых условиях контакта.

Исследования й.М.Руденской [зб, 4б] показали, что повышение содержания в битумах ароматических углеводородов вызывает повышение растворяющей способности мальтеновой части битумов, что вызывает улучшение коллоидной стабильности битумов, повышает их физи-ко-химические и физико-механические свойства и непосредственно отражается на качестве асфальтобетона.

В работе [37] показано, что введение в битум 16−17% кислородо-содержащих соединений и 83−84% углеводородов ароматического рядаодновременно с увеличением стабильности вяжущего значительно повышает его полярность, тем самым улучшая адгезионную способность. Эффект повышения адгезионных свойств битумов при введении ароматических углеводородов объясняется тем, что они являются активными растворителями для макромолекул асфальтенов, обладающих достаточно ощутимой полярностью.

Необратимость образовавшейся связи при наличии в вяжущем реакционно-способных групп характерна не для всех минеральных материалов. В своих исследованиях И. М. Борщ [74, 12э] установил, что известняковые материалы, в отличие от кварцевых, образуют при объединении с битумом более развитые адсорбционно-сольватные слои При этом подчеркивалось, что известняковые материалы, адсорбируя битум, изменяют его состав таким образом, что асфальто-смолистые компоненты битума адсорбируются непосредственно на минеральной поверхности известняковых частиц, а кварцевые минеральные материалы адсорбируют битум без заметного изменения его свойств.

В то же время, с учетом имеющихся данных о двойственности поверхностнойзаряженности минеральных материалов, приведенных ранее, следует отметить, что кварцевые материалы также могут вступать в интенсивное взаимодействие с битумом, если соответствующим образом будет изменена структура контактирующих материалов Более подробно о возможности подобного регулирования процессами взаимодействия в системе «битум-минеральный материал» будет сказано в последующих разделах.

Установлено, что диффузные структурированные оболочки битума, образующиеся на поверхности минеральных зерен, имеют наивысшие значения плотности и вязкости непосредственно у границы раздела контактирующих фаз. Отсюда следует логический вывод, что наиболее прочное сцепление минеральных зерен в асфальтобетоне достигаетсяв том случае, когда они связаны между собой за счет контакта поструктурированным оболочкам битума. В настоящее время тип и виды таких оболочек общеизвестны благодаря глубоким исследованиямВажной с теоретической точки зрения и полезной в практическомсмысле является установленная в исследованиях 8,50,74,130,138,I39J зависимость процесса взаимодействия между битумом и минеральным материалом не только от минерального состава последнего, но и от их структурно-текстурных признаков, что позволило разделить минеральные порошки на четыре основных типа и установить четкие рекомендации их применения в зависимости от качества и вязкости битумов.

Во многих работах [lOI, 24,37,52,122,12б] отмечается довольно четкая связь между полярностью, активностью битумов, способностью к интенсивному взаимодействию с каменными материалами и содержанием в них полярных асфальтенов.

Состав и структура битумов, содержание в них полярных компонентов — асфальтенов — существенно влияют на их адсорционно-адге-зионные показатели. Известное правило Траубе, примененное к битумам, позволяет предположить, что адсорбция высокомолекулярных асфальтенов будет значительно выше по сравнению с другими компонентами, увеличиваясь с ростом молекулярного веса.

На величину адсорбции большое влияние оказывает структура адсорбируемого вещества. Соединения ароматического ряда одинаковой химической природы и с одинаковым числом атомов углерода, как установлено [24] адсорбируются в большей степени, чем алифатические. Объясняется это наличием большого числа ненасыщенных групп за счет двойных и тройных связей, которые способствуют повышению поверхностной активности. Поэтому асфальтены с большей степенью ароматичности должны обладать более высокой адсорбируемостью поряда авторови в данной работе не приводятсяГвсударстмпмБИБЛИОТЕКА СССР ми. В. и. Дымна- 42 сравнению с асфальтенами, обладающими длинными боковыми цепями. А вследствие более ароматического характера асфальтенов их адсорбционная активность должна превышать активность других компонентов битума.

Сцепление битума с минеральной поверхностью, как уже отмечалось^ зависит от химического состава минерального материала, содержания в нем катионов тяжелых и щелочноземельных металлов, способных вступить в хемосорбционное взаимодействие с поверхностно-активными веществами битума с образованием водонерастворимых соединений типа мыл. В то же время химическая природа битума, определяемая содержанием в его составе поверхностно-активных веществ, полярных асфальтенов и ненасыщенных соединений, обусловливает возможность получения прочной адгезионной связи с минеральными материалами.

Результаты многих исследований [24,139,8,52,64,122,126, 140, 141,142,143] свидетельствуют о том, что наличие хемосорбционного взаимодействия битума с активной поверхностью минерального материала приводит не только к значительному упрочнению тонкого слоя битума, но и к повышению его устойчивости при высоких температурах, что очень важно с точки зрения обеспечения долговечности асфальтобетонных покрытий.

Влияние исходного состава битума на его старение объясняется по-разному. Мартене [4]Q показал, что наличие в исходном битуме большого количества асфальтенов ведет, при воздействии окислительных факторов, к повышению гетерогенности системы и синерезису с выделением масел. В то же время в другой работе отмечается, что большое содержание асфальтенов улучшает стабильность битумов, а максимальная уЪтойчивость битумов к старению наблюдается при возможности набухания асфальтенов в среде мальтенов Гхзз]. / В исследованиях, посвященных старению битумов, подчеркиваетсяположительное влияние на замедление этого процесса ароматических углеводородов, которые пептизируют асфальтеновые комплексы [l44j.

Таким образом, из приведенного обзора существующих в настоящее время представлений о процессах взаимодействия между битумом и минеральными материалами можно сделать следующие выводы: I) процесс взаимодействия тесно связан с такими явлениями, как смачивание битумом минеральных материалов и адсорбирование на минеральной поверхности активных компонентов битума-Z) существуют противоречивые взгляды на характер связи смачивания и адсорбции с процессом установления адгезионного контакта, а также на сущность адгезии-3) определяющая роль асфальтенов в процессах взаимодействия между битумом и минеральным материалом подчеркивается в большинстве исследований, однако, имеются противоположные суждения о v качественном влиянии содержания асфальтенов на стабильностьсвойств битума и асфальтобетона.

Обобщая приведенные в данном разделе сведения о процессах структурообразования в асфальтобетоне во взаимосвязи со структурой и свойствами битумов, необходимо еще раз подчеркнуть определяющую роль асфальтенов, признаваемую большинством исследователей. Значительная активность асфальтенов, их высокие адгезионные свойства позволяют предположить, чем более полное и направленное их использование даст возможность повысить качество битумов и асфальтобетонов на их основе.

1.4. Возможности управления процессами взаимодействия между битумом и минеральными материалами с помощью механических воздействийНаряду с ранее проанализированными способами улучшения качества битумов (модификация битумов, применение ПАВ, гидрофобизации и физико-химическая активация минеральных материалов), которые позволяют повысить долговечность асфальтовых бетонов, в технологии асфальтобетона можно выделить особые способы приготовления асфальтобетонных смесей, для которых характерно значительное механическое воздействие на составляющие асфальтобетонную смесь материалы, в том числе и на битум. С некоторой долей условности эти способы можно сгруппировать следующим образом. а) Удлинение времени перемешивания асфальтобетоннойсмесиНа положительное влияние увеличения длительности перемешивания при производстве асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетона обращалось внимание во многих работах советских и зарубежных исследователей. Согласно данным [4, 8, 145^ увеличение длительности перемешивания от I до 5 минут приводит к повышению пйотности асфальтобетона, снижению водонасыщения в 3 раза, увеличению показателей прочности на 15−20 $. В работе [12] отмечается, что удлинение перемешивания приводит к увеличению водоустойчивости асфальтобетона на 30−40%. В результате исследования [иб] получен важный вывод об очередности обволакивания минеральных частиц битумом в процессе перемешивания, что позволило предложить критерий однородности смеси — соотношение между количеством вяжущего на мелких и крупных частицах, которые обволакиваются битумом в последнюю очередь.

Обобщение результатов названных работ позволяет заключить, что подобное влияние времени перемешивания смеси на качество асфальтобетонов связывается, в основном, с улучшением степени покрытия минеральных материалов битумной пленкой и повышением однородности смеси. б) Виброперемешивание и виброуплотнение асфальтобетонной емесиВибрационные воздействия широко применяются в технологии цементного бетона и полимерных материалов. В исследованиях, посвященных этому вопросу, подчеркивается [l47,148,149,15oJ что вибрационные воздействия на систему, особенно в сочетании с введением ПАВ, обеспечивая возможность управления сцеплением частиц, в то же время являются основой методов управления структурно-ре-ологическими свойствами дисперсных систем. Также отмечается [l5l], что комплексное сочетание тепловых, механических воздействий и введение ПАВ способствует разрушению наполненных дисперсных структур в процессе их технологической переработки.

Исключительно полезная роль вибрационных воздействий при получении материалов однородной структуры была показана в работах И. Н. Ахвердова, Н. В. Михайлова, П. А. Ребиндера и др. [s 0,147,152]. Наряду с этим, в работе [l53^ отмечается, что вибровоздействия способствуют не только повышению однородности системы и снижению ее дефектности, но и могут инициировать механо-химические процессы.

Положительное воздействие вибрации было обнаружено также применительно к асфальтобетону. В работе [l54^ отмечается, что приготовление битумополимерных материалов в кавитационных дисперга-торах (вибровоздействия до 57 тыс. кол/мин) приводит к существенному изменению характера распределения частиц, уменьшению вязкости всей системы и увеличению прочности структуры полимербитумов за счет изменения сил взаимодействия между частицами.

Н.В.Горелышев, Л. Б. Гезенцвей fl45] назвали виброперемешивание одним из эффективных путей совершенствования технологии перемешивания асфальтобетонной смеси.

Вопросы виброперемешивания асфальтобетона были достаточно глубоко разработаны в исследованиях Г. Г. Гринберга,^{.М.Скудры,} И. А. Рыбьева и др. [l55,I56,I57,I58j. Установлено снижение оптимального содержания битума в виброперемешанной смеси асфальтобетона с повышением частоты воздействия.

Значительное увеличение прочности виброперемешанного асфальтобетона (в 1,3−2 раза) объясняется [l55] повышением сцепления битума с минеральными материалами, бол ее равномерным распределением его в смеси, что связывается с очищением поверхности каменных материалов, тиксотропным разжижением битума и проникновением его в поры минеральных частиц. Эти результаты были подтверждены в работе [l58], в которой обращается внимание на более высокую прочность и плотность виброперемешанного асфальтобетона по сравнению с приготовленным по обычной технологии.

Кроме того, были получены данные о более высокой устойчивости виброперемешанных асфальтобетонов к воздействию факторов старения.

Что же касается оптимальной длительности виброперемешивания, то по этому вопросу данные противоречивы. Согласно [12! «виброперемешивание дает возможность сократить длительность перемешивания до I мин. В работе [15б] эти данные не подтвердились. При аналогичной частоте вибровоздействия (3000 кол/мин) установлена стабилизация физико-механических свойств асфальтобетона только к 5-й минуте.

Вопросу изучения влияния виброуплотнения асфальтобетона наего свойства были посвящены исследования Г. А. Ромаданова, С.К.Нос-кова, В. Н. Кононова [l59,I60,I6I, I62, I63].

Было установлено [159] что под действием вибрации (частота 7000 кол/мин.) асфальтобетонная смесь приобретает свойства высоковязкой жидкости, а это способствует более плотному распределению минеральных частиц смеси, причем число контактов, осуществляющихся через тонкую битумную пленку, значительно возрастает. Уплотненный с наложением вибрации асфальтобетон отличается высокой прочностью и водоустойчивостью. В исследовании [l6l] применялись частоты до 6300 кол/мин. Было отмечено, что особенно эффективно уплотнение асфальтобетона на высоких частотах, а эффект снижения вязкости смеси при ее вибрировании представлялся аналогичным разжижению гелей под действием ультразвуковых волн. Экспериментально подтверждена возможность применять при виброуплотнении более жесткие смеси.

Эффективность вибрационного воздействия на асфальтобетон при его уплотнении была подтверждена в исследованиях [l6E, I63j. Кроме того, в этих работах было доказано, что при виброуплотнении происходит нарушение связей между частицами и уменьшение вязкости как объемного, так и пленочного битума, приводящие к увеличению угла внутреннего трения и сцепления в асфальтобетоне с образованием более жесткой его структуры.

Обобщая результаты исследований по виброперемешиванию и виброуплотнению асфальтобетона, можно отметить, что такие воздействия способствуют повышению однородности и плотности материала с улучшенными структурно-механическими свойствами. При этом большое значение имеет разжижение битума и снижение вязкости смеси в процессе вибровоздействий.- 48 в) Турбулентное (динамическое) перемешивание асфальтобетонной смесиСпособ турбулентного перемешивания основан на предельном разрыхлении минеральных компонентов в мешалке за счет резкого увеличения скорости вращения лопастей с образованием специфического взвешенного состояния минеральных частиц и подачи в эту область распыленного до туманообразного состояния битума под давлением до 2,2 МПа [в, 164,165,16б]. При таком способе, как отмечается в [в! битум тонким слоем покрывает все минеральные частицы, что позволяет получить предельно однородные смеси, снизить расход битума и повысить физико-механические свойства асфальтобетона. г) Приготовление литого асфальтобетонаЛитой асфальтобетон получил широкое распространение за рубежом. Отличаясь от обычного асфальтобетона применением высоковязкого битума и повышенным содержанием минерэдьного порошка, этот материал характеризуется высоким качеством. В работах [l67, 168, I69, I70,I7lJ приведены данные по технологии производства, укладке и свойствам асфальтобетона данного типа. В частности, в [l69^ отмечаются преимущества литого асфальтобетона, заключающиеся в его повышенном сроке службы и отсутствии повреждений от действия воды. В работе? l7o] на опыте эксплуатации покрытий из литого асфальтобетона в ФРГ показано, что такой асфальтобетон выдерживает эксплуатацию в течение 15 лет при тяжелом движении транспорта, причем износ покрытия в год составляет 1−2 мм. В связи с высокой долговечностью устройство покрытий из литого асфальтобетона, несмотря на их более высокую себестоимость, оказывается эффективным с экономической точки зрения, поскольку значительно сокращаются расходы на ремонт и эксплуатацию. Согласно выпущенных у нас встране рекомендаций, литой асфальтобетон обладает повышенной коррозионное трещинои износостойкостью. Однако, следует отметить, что внедрение этого материала в производство остается еще крайне медленным ввиду отсутствия необходимых машин и механизмов.

Признавая достаточно заметный эффект перечисленных воздействий, проявляющийся в повышении плотности, прочности и водоус"тойчивости асфальтобетона, нельзя не отметить и целый ряд недостатков, присущих этим интенсивным технологическим методам. К ним относятся: снижение производительности (а), удорожание производства (б, в, г), необходимость существенного изменения существующей технологической схемы производства асфальтобетона (б, в). В то же время обращает на себя внимание тот факт, что исследователями совершенно игнорируется значение механического воздействия на битум при осуществлении указанных технологических приемов. Между тем, роль механо-химических явлений при подобных воздействиях на составляющие асфальтобетонную смесь материалы, в том числе и битум, весьма существенна. Использование и направленное регулироЧ вание происходящих при этом процессов может открыть широкие возможности для регулирования свойств асфальтовых бетонов. v Данные из области механо-химии полимеров свидетельствуют опоявлении в полимерах активных частиц при интенсивных механических и особенно ультразвуковых воздействиях вследствие кавитацион-ных явлений, вызывающих микроразрывы в среде материала. Главным условием, определяющим возможность подобного механокрикинга, является необходимость того, чтобы частота механического воздействия была больше скорости релаксации обрабатываемых структурных элементов |173, 174].

На основании анализа ряда работ ?[73,174,175) можно заключить, что механические воздействия на полимеры и их растворы приводят, в результате механкрекинга полимерных цепей, к возникновению свободных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью. При этом повышенная реакционная способность полимеров проявляется не только во взаимодействии с кислородом воздуха, стабильными радикалами, но и с поверхностью частиц материала, введен-V ного в среду данного механоактивированного полимера. Характерно, что при интенсивном механическом воздействии на полимер с заполнителем происходящая деструкция способствует повышению адгезионных контактов, вызывающих повышение вязкости смеси.

Исследования температурно-временной зависимости прочности полимеров привели С. Н. Журкова с сотрудниками к выводу, что механическое разрушение полимеров следует рассматривать как термическую деструкцию, активированную механическим напряжением [17б]. Веским доказательством идентичности процессов механической и термической деструкций является установленный факт, что для многих исследованных полимеров энергия активации механического разрушения оказалась численно равной энергии активации термической деструкции [17з]. Особо подчеркивается, что чем выше частота механического воздействия при прочих равных условиях, тем вероятнее образование активных частиц [l73]. С этой точки зрения наиболее эффективным способом передачи механических напряжений на полимер является ультразвук [ 17з, та].

Влияние ультразвука на изменение структуры и свойств материала достаточно полно исследовано в технологии цементного бетона [152,177]. Установлено, что при обработке бетонной смеси ультразвуком происходит ее активация, дегазация, что значительно улучшает структуру бетона. В ходе протекания кавитационных процессов измельчаются как цементные зерна, так и заполнитель. Бетон получается более однородным и плотным при значительном увеличении склеивающей способности цемента, что, в свою очередь, обусловливает увеличение прочности бетона.

По данным [l7e] увеличение прочности цементного камня при В/Ц =0,5, сопровождающееся повышением объемного веса до 6,5%, обусловливается не только механическим уплотнением цементного теста под действием ультразвука, но и активацией физико-хими-ческих процессов, что способствует формированию компактного пространственного взаиморасположения твердой фазы. При всех исследованных В/Ц и во все сроки твердения кривые прочности образцов после ультразвуковой обработки располагались выше контрольных.

Экспериментально было также установлено, что оптимальная продолжительность ультразвуковой активации при мощности излучателя 1Д5 КВт составляет 5 минут на 2 л цементного теста. Прочность цементного камня после обработки в ультразвуковых активиза-торах возрастает с увеличением водоцементного отношения и наибольший прирост ее составляет 40% [l52].

Положительные результаты были получены и при обработке ультразвуком других материалов. Такх в различных суспензиях под действием ультразвука сокращается время загустевания и увеличивается/ их структурная прочность |^152,179]. Если же суспензия подвергается непрерывному ультразвуковому воздействию, то она остается на протяжении этого времени жидкой, а после окончания обработки быстро загустевает.

В результате исследований, выполненных в работе [l8o] * в частности, установлено, что при применении ультразвуковых колебаний при перемешивании полимербетонной смеси на эпоксидно-каменно-угольном связующем прочность полимербетона повышается в 1,2−2,5 раза, а период набора прочности сокращается в 10−14 раз. Это дает возможность обеспечить требуемую прочность полимербетона при сокращении расхода смолы на 25−30%.

Иными словами, с помощью ультразвука возможно управлять технологическим процессом.

Успешно используется ультразвук для улучшения свойств глинистых материалов [l8I, I82]. Ультразвук в этом случае вызывает ра-]ц зрушение первичных агрегатов и гидратных оболочек глинистых суспензий и способствует формированию более мозаичной поверхности за счет ориентации частиц — зародышей коагуляционной структуры — и возникновения между ними дальнедействующих связей. В результате, при оптимальном времени ультразвукового облучения системы, соответствующем максимальному диспергированию частиц дисперсной фазы, образуются коагуляционные структуры повышенной прочности и стойкости. Ультразвуковые колебания способствуют снижению водоотдачи, повышению предельного статического напряжения сдвига, динамической пластичности и прочности. Озвучивание глинистых суспензий в течение 4−6 минут приводит к их полной агрегатной устойчивости при последующем улучшении всех структурно-механических и эксплуа-ч. тационных характеристик. В то же время установлено, что более продолжительное облучение (до 25−30 минут) вызывает незначительное уменьшение стойкости глинистых суспензий, что связывается с процессом агрегирования глинистых частиц под шиянием длительного воздействия ультразвука.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что эффективность ультразвуковой обработки существенно зависит от выбранного режима.

Важным следует считать также и тот факт, что вязкость обрабатываемой среды значительно снижается с возрастанием интенсивности ультразвукового воздействия и в большей мере зависит от увеличения частоты, чем амплитуды колебаний ]I83J.

Ряд интересных данных получен и при обработке ультразвукомшение мицелл, технологических водных растворов, образующихся после интенсивного контактирования водной и органических фаз. При этом после озвучивания на поверхности водной фазы образуется тонкий слой органической фазы.

О влиянии ультразвукового облучения на ход химических процессов свидетельствуют следующие данные [l83,I84j. При исследовании кинетики сорбции ионов натрия из раствора поваренной соли под действием ультразвуковых колебаний (частота 16,4 кгц) установлено, что наступление диффузионного равновесия происходит через 2,5−3 часа (через 16 часов — без ультразвукового воздействия). Ультразвук достаточной интенсивности в режиме кавитации способен также разрушать мицеллярную структуру ПАВ в воде.

В ряде других работ показано, что ультразвуковое поле может существенно ускорять всевозможные процессы, происходящие на границе раздела фаз, при этом причины этих явлений не объясняются. Так, при получении консистентных смазок воздействие ультразвука значительно ускоряет химические реакции и диспергирование загустителя [185,18б].

Показана возможность использования ультразвука для улучшенияразличных водных растворовУльтразвук вызывает разруряда важных свойств многих полимерных материалов, высокомолекулярных растворов, глин, некоксующихся углей и других веществjl84, 187,188].

В работе [l89] посвященной изучению влияния ультразвука на структуру торфяных брикетов, показано увеличение плотности упаковки частиц, прочности в 2−2,5 раза и уменьшение водопоглощения в 3 раза, В другой работе [l9o] отмечается, что ультразвуковые колебания снижают динамическую вязкость дисперсий, увеличивают смачивание волокнистого материала и на порядок увеличивают дисперсность частиц (в данном случае — латекса).

Обобщая приведенный обзор применения механо-химических явлений при ультразвуковом воздействии на различные строительные материалы, вероятно, следует обратить особое внимание на следующие последствия ультразвуковой активации: снижение вязкости обрабатываемого материаладиспергирование частиц, находящихся в зоне дей-i ствия ультразвукаповышение однородности материаларазрушающее воздействие на различного вида мицеллыускорение или инициирование реакций взаимодействия между контактирующими фазами. Отмеченные факторы, обеспечивающие возможности для управления свойствами обрабатываемых ультразвуком материалов, позволяют уточнить роль механо-химических явлений в технологии асфальтобетона. Не остается никаких сомнений, что улучшение свойств асфальтовых бетонов зависит, во многом, от интенсивности прилагаемых механических воздействий. Наиболее эффективны с этой точки зрения турбулентное перемешивание и реализация технологических особенностей приготовления литого асфальтобетона.

Принимая во внимание данные о влиянии ультразвуковой активации на показатели свойств полимерных, цементных, глинистых и друкгих материалов, можно предположить, что подобная активация битумов также даст возможность повысить как качество битумов, так и асфальтобетонов на их основе.

1.5. Выводы и задачи исследованияАнализ состояния вопроса повышения долговечности покрытий из асфальтобетона дает возможность сделать следующие выводы:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан принципиально новый способ повышения адгезионных свойств битумов и улучшения коррозионной устойчивости и долговечности асфальтовых бетонов, основанный на обработке битумов ультразвуком.

2. В результате УЗ-обработки битума происходит разрыв межмоле-кулярных связей асфальтеновых комплексов, что приводе к образованию более мелких блоков, отличающихся высокими адгезионными свойствами. Раз рушение под действием ультразвука углеводородных оболочек, экранирующих полярные группы асфальт еновых комплексов, также способствует повышению активности битума, реализуемой в процессе взаимодействия с минеральными материалами.

3. На основе анализа спектров ЭПР установлено повышение парамагнитных свойств битумов, свидетельствующее об увеличении их активности при воздействии ультразвука. Практическая идентичность ИК-спектров исходных и озвученных битумов явилась подтверждением предположения о механизме УЗ-обработки, состоящем в разрыве, главным образом, межмолекул? фных связей в битуме. Повышение полярности битумов установлено при изучении их диэлектрических свойств и поверхностного натяжения. Обнаруженное при этом явление кратковременности существования вызванных ультразвуком структурных изменений в битуме обусловило разработку технологических требований для возможности реализации эффекта УЗ-обработки битума при приготовлении асфальтобетонных смесей.

4. УЗ-обработка битума вызывает повышение его адгезионных свойств, по сравнению с обычным битумом, на 30 — 70 $, которые, как свидетельствуют выполненные исследования, эффективно используются при взаимодействии битума с минеральными материалами как основыых. так и кислых пород. Установленный эффект действия ультразвука обусловлен существованием в битуме как анион-, так и кати-онактивных асфальтенов.

Повышение адгезионных свойств озвученных битумов способствует увеличению водои морозоустойчивости асфальтобетонов на их основе.

5. Степень повышения адгезионных свойств битумов при их УЗ-об-работке, находящаяся на уровне действия наиболее-эффективных поверхностно-активных веществ, позволяет использовать данный способ вместо традиционного метода улучшения свойств битумов с помощью ДАВ.

УЗ-обработка битумов, в которых имеются 11АВ, а также компаундированных битумов нецелесообразна в связи с явлениями рекомбинаций образующихся активных связей с уже имеющимися в битумах.

6. Свойство озвученных битумов восстанавливать исходную структуру по завершении ультразвукового воздействиям также незначительный вклад возможных при УЗ-обработке разрывов химических связей в инициирование процессов старения обусловливают удовлетворительную устойчивость таких битумов к действию факторов ста рения.

Асфальтовяжущие и асфальтовые бетоны на основе озвученных битумов менее подвержены старению. Это может быть объяснено интенсивным участием активированных полярных групп асфальтенов и их комплексов в образовании адсорбционного слоя на минеральных зернах, что приводит к снижению вязкости средней зоны межзерновых прослоек битума и способствует. замедлению процессов старения. Установленный эффект служит предпосылкой для снижения расхода битума, обработанного ультразвуком, при приготовлении асфаль тобетонных смесей на 10 — 15 $, с одновременным обеспечением оптимальности свойств асфальтового бетона.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтверждены при производственной проверке в условиях асфальтобетонного завода. Ультразвуковая обработка битума, с использованием генераторов УЗГ-2−10 ДЗГ-ЮМ и излучателей ДМС-15А-18 -экспоненциального типа, а также колонного аппарата' УПХА-Р18 с излучателями кольцевого типа, при производстве асфальтобетонных смесей показала простоту и технологичность предлагаемого способа.

8. Экономический эффект использования УЗ-обработки битума составляет 20,93 тыс. руб. на 50 тыс. тонн выпускаемой асфальтобетонной смеси в год.