Вступ. Генеральним напрямком сучасної дорожньої науки та практики є підвищення строків служби верхніх шарів дорожніх одягів, що забезпечують основні функціональні властивості дороги. Комплексний вплив на ці шари транспортних та кліматичних факторів приводить до їх численних руйнувань. Одним з найбільш поширених видів руйнувань є деградація поверхні дорожнього покриття під дією води й перемінного заморожування-відтаювання шляхом відриву зерен кам'яних матеріалів від поверхні покриття (лущення та викришування), утворення ям та вибоїн. Радикальним засобом боротьби з цим руйнуванням є застосування поверхнево-активних речовин.

Актуальність теми. Руйнування дорожніх покриттів під дією водних та транспортних факторів обумовлено слабким опором плівки бітуму витискуванню її з поверхні кам'яних матеріалів водою. Такий опір пов'язано з адгезійною здатністю бітуму і може бути її непрямою характеристикою. У найбільшій мірі стан руйнування, що розглядається, притаманний асфальтобетонам, у котрих в якості кам'яних матеріалів використано природні продукти або штучні продукти подрібнення кислих гірських порід. В зв'язку з цим актуальним є підвищення водостійкості саме таких асфальтобетонів за рахунок використання у них бітумів, які вміщують катіонні ПАР (КПАР).

Обмежене використання КПАР для підвищення водостійкості асфальтобетону є причиною того, що в Україні, як і в інших країнах СНД, не створено систему оцінки їх ефективності. Для такої оцінки використовується лише показник зчеплення бітуму зі стандартними піском або мармуровим дрібняком, котрий визначається органолептичним методом. У той же час немає критеріїв кількісної оцінки оптимального вмісту ПАР, їх термостабільності у процесі технологічної підготовки бітуму та їх економічної ефективності. Розробка і наукове обґрунтування таких критеріїв є актуальною науковою задачею, вирішення якої буде сприяти створенню й вибору ефективних ПАР, що, в свою чергу, забезпечить підвищення довговічності асфальтобетонних покриттів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з Галузевою програмою держкорпорації "Укравтодор”, частина І, розділ 6.6 "Забезпечення якості дорожніх робіт, стандартизація та сертифікація” (1998р.) і планом науково-дослідних робіт ХДАДТУ по темі "Розробка дорожніх матеріалів підвищеної довговічності" (1998-2003р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення закономірностей впливу катіонних поверхнево-активних речовин на фізико-механічні властивості бітуму і асфальтобетону і розробка на підставі цього критеріїв їх ефективності.

Згідно з цією метою поставлені такі задачі:

1. Теоретично обґрунтувати і експериментально перевірити критерії ефективності поверхнево-активних речовин катіонного типу.

2. Визначити взаємозв'язок концентраційних закономірностей поверхневого натягу, крайового кута змочування, адгезійної активності бітумів, котрі вміщують катіонні ПАР. Обґрунтувати механізм обволікання кам'яних матеріалів бітумом в присутності ПАР.

3. Виявити взаємозв'язок показника зчеплення бітумів з водостійкістю асфальтобетонів для різних концентрацій ПАР.

4. Експериментально визначити вплив температурно-часових режимів прогріву на технічні, в'язкостні та адгезійні властивості бітумів, які вміщують ПАР; розглянути взаємозв'язок між показниками зчеплення бітуму з мінеральною підкладкою та водостійкістю асфальтобетону після його старіння.

5. Розглянути доцільність та технічну можливість нетрадиційних методів використання ПАР при виробництві асфальтобетону.

6. Здійснити перевірку одержаних результатів при виробництві асфальтобетонних сумішей і улаштуванні асфальтобетонного покриття. Розробити методичні рекомендації з оцінки ефективності ПАР у виробництві асфальтобетону.

Об'єкт дослідження. Процеси взаємодії на границі розподілу фаз бітум - мінеральна підкладка, які обумовлюють адгезійний контакт цих фаз, водостійкість асфальтобетону і довговічність асфальтобетонного покриття.

Предмет дослідження. Фізичні (адгезія, поверхневий натяг, крайовий кут змочування, водостійкість) і механічні властивості (в'язкість, когезія, міцність) бітумів і асфальтобетонів в залежності від кількості в них різних ПАР, а також температурних та часових режимів дії води та прогріву.

Методи дослідження. Для виявлення факторів, які обумовлюють опір бітумної плівки витискуючій дії води, застосовані методи визначення: зчеплення; поверхневого натягу; крайового куту змочування; істинної в'язкості; когезії. Оцінку водостійкості асфальтобетону здійснювали шляхом визначення тривалої водостійкості. Температурні режими приготування бітуму і асфальтобетонних сумішей моделювали різною тривалістю їх прогріву. В роботі широко використані стандартні методи визначення властивостей бітумів і асфальтобетонів.

Наукова новизна одержаних результатів. Теоретично обґрунтовані критерії адгезійної активності ПАР та термостабільності бітумів, які їх вміщують.

Розкрито взаємозв'язок концентраційних залежностей поверхневого натягу, крайового куту змочування і адгезійної активності бітумів, що вміщують ПАР, котрий використано як підставу для визначення мінімально необхідного вмісту ПАР у бітумі.

Показано, що механізм поліпшення обволікання бітумом, що вміщує ПАР, мінеральної підкладки і зниження температури перемішування асфальтобетонних сумішей, обумовлено кращою змочувальною здатністю такого бітуму у порівнянні з вихідним бітумом рівної в'язкості.

поверхнева активна речовина асфальтобетон

Експериментально доведено пряму залежність адгезійної здатності бітумів та бітумів, що вміщують ПАР, від температурно-часового режиму їх нагріву в процесі технологічної підготовки.

Виявлено кількісний зв'язок між показником зчеплення бітуму та коефіцієнтом тривалої водостійкості асфальтобетону, висловлено припущення щодо можливості виявлення узагальненої залежності цих властивостей.

Експериментально доведено, що небезпечним фактором зниження водостійкості асфальтобетону є зниження адгезійної активності бітуму під час перегріву кам'яних матеріалів і самої асфальтобетонної суміші.

Експериментально доведена ефективність апретування поверхні кам'яних матеріалів розчинами ПАР, що сприяє зниженню витрати ПАР і, відповідно, собівартості бітумомінеральних матеріалів.

Достовірність результатів дослідження підтверджується: повною відповідністю виявлених залежностей законам колоїдної хімії, що стосуються поверхневих явищ; узгодженістю експериментальних даних і теоретичних передумов; відповідністю тенденцій зміни показників властивостей бінарної системи бітум - підкладка та багатокомпонентної системи асфальтобетону; відповідністю між даними, які отримані у процесі експерименту та під час виробничої перевірки.

Практичне значення одержаних результатів полягає: у розробці показників оцінки ПАР, з використанням яких виробничі лабораторії можуть об'єктивно визначити їх технічну (адгезійна активність, стійкість до старіння) і економічну ефективність; у виявленні факту зниження адгезійної активності бітуму після прогріву, що може бути підставою для включення до ДСТУ відповідного нормативного показника; у виявленні взаємозв'язку між показником зчеплення бітуму з мінеральною поверхнею та водостійкістю асфальтобетону, на підставі якого можливо передбачити зростання водостійкості у випадку використання ПАР; у розробці "Методичних рекомендацій з оцінки адгезійної активності бітумів, які вміщують поверхнево-активні речовини”.

Реалізація результатів роботи полягає: у будівництві асфальтобетонних покриттів на дорогах Запорізької області (виготовлено 1230 т асфальтобетонної суміші з добавками); в улаштуванні 3000м² поверхневої обробки з використанням бітумів, які поліпшені добавками ПАР.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: ідея і розробка показників оцінки якості катіонних ПАР; розробка програми дослідження; результати вивчення адгезійної активності, термостабільності ПАР та асфальтобетонної суміші в технологічному процесі; результати вивчення фізико-механічних властивостей бітумів з ПАР та асфальтобетонів на їх основі; ідея попередньої обробки кам'яних матеріалів розчинами ПАР перед їх об'єднанням з бітумом; зміст і структура методичних рекомендацій з оцінки адгезійної активності бітумів з добавками ПАР.

Апробація результатів дисертації. За результатами роботи зроблені доповіді на спільному засіданні кафедр технології дорожньо-будівельних матеріалів та будівництва і експлуатації доріг Харківського ДАДТУ, на Технічній Раді Держкорпорації "Укравтодор” (Київ, 2001р.), на конференції "Розвиток технічної хімії в Україні" (Харків, 1997р.), на конференції "Автомобільний транспорт і дорожнє господарство на рубежі третього тисячоліття" (Харків, 2000р.), на конференції викладачів та співробітників Харківського ДАДТУ (2001р.)

Публікації. По темі дисертації опубліковано 4 статті та 1 доповідь.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 120 найменувань. У роботі 177 сторінок машинописного тексту, 30 рисунків, 32 таблиці, та 1 додаток.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність прийнятого напрямку досліджень, обґрунтовано мету досліджень, наукову новизну та їх практичне значення.

У першому розділі розглядається стан наукової проблеми і надається аналіз наукових джерел з неї. В зв'язку з достатньо міцним прилипанням бітумів до основних порід, головна увага в технології асфальтобетону приділяється катіонним ПАР, які підвищують зчеплення бітумів з поверхнею кислих гірських порід. Потужним стимулом до практичного використання ПАР у дорожньому будівництві західних держав став узагальнений розгляд ефективності ПАР у різних видах техніки, який виконано А. Шварцем та Дж. Перрі. У розвиток їх концепції, відносно дорожнього будівництва, виконана низка робіт Дж. Петерсеном з колегами, Ф. Екуром, О. Дроном, Ж. Рамоном. Вітчизняні розробки в цьому напрямку, здійснені О.І. Лисихіною, А.С. Колбановською, Л.Б. Гезенцвеєм, М.І. Кучмою, І.В. Корольовим, Д.С. Шемонаєвою, В.І. Бабаєвим, О.М. Агєєвою, А. Бельмеждубом, базувались на фундаментальних дослідженнях П.О. Ребіндера.

Використання ПАР у асфальтобетоні має дві мети: перша - покращення обволікання кам'яних матеріалів бітумом (технологічний аспект); друга - підвищення зчеплення бітуму з кам'яним матеріалом при діянні води (експлуатаційний аспект). Недостатньо вивченими в технологічному аспекті залишаються питання вибору оптимального вмісту ПАР, ролі змочування і в'язкості бітуму в обволіканні їм кам'яних матеріалів, зберігання адгезійної активності бітуму та асфальтобетонної суміші, що вміщують ПАР, після тривалого високотемпературного нагріву. В експлуатаційному аспекті дискусійними залишаються питання: впливу ПАР на стандартні характеристики бітумів, на показники їх в'язкості та когезії, взаємозв'язку водостійкості асфальтобетону і показника зчеплення бітуму з поверхнею кам'яних матеріалів.

Обмеженість експериментального вивчення бітумів з добавками ПАР пов'язана з відсутністю простих кількісних методів оцінки їх зчеплення з мінеральною поверхнею. Розробці методів визначення цього показника присвячені роботи: О.І. Лисихіної, А.С. Колбановської, В. Ріделя, Л. Момчевої, С. Хальберга, У. Нікольсона, Ж. Панголіо, Е.І. Діскінсона, Н. Пароді, М.Ж. Уорінена. У багатьох країнах існують стандарти на методи визначення показника зчеплення. Вадами більшості пропонуємих методів є або візуальна оцінка ступеню покриття бітумом поверхні кам'яних матеріалів після випробування, або складність кількісної оцінки цього показника.

Простим, підсильним для виробничих лабораторій методом, що дає результати, які відтворюються, є метод оцінки показника зчеплення бітуму за площею, що залишається вкритою бітумом після витримування повністю вкритою бітумом пластини у воді протягом 30 хв. при температурі 85С. Цей метод, перевірений у провідних лабораторіях України і затверджений як державний стандарт України, використано у даному дисертаційному дослідженні.

У другому розділі розглянуто теоретичні передумови виявлення показників ефективності ПАР. Система ефективності ПАР, яка розглядається у роботі, включає три основних критерії, які характеризують: приріст адгезійної активності бітумів за рахунок уведення ПАР; термостабільність адгезійних властивостей ПАР у бітумах; техніко-економічну ефективність ПАР.

У термодинамічному аспекті критерієм адгезії могла служити робота адгезії бітуму до поверхні кам'яного матеріалу:

,

де _БП - поверхневий натяг бітуму на межі з повітрям;

_Б - крайовий кут змочування бітумом підкладки.

При цьому _БП cos_Б являє собою міцність (напруження) адгезії _Б^А. Робота адгезії W_КБ^А і міцність адгезії _Б^А тим вище, чим більш _БП і менш _Б. Перше відповідає випадку підвищення зчеплення (водостійкості) зі зростанням в'язкості бітуму, друге ж йому суперечить.

Більше наближеною до реальної ситуації є схема, котра включає підкладку, бітум та воду. Згідно з цією схемою, критерієм стійкості бітуму проти витиснення його водою могла бути різниця робіт адгезії води W_КН^А та бітуму W_КБ^А до поверхні кам'яного матеріалу:

,

де _НП - поверхневий натяг води на межі розподілу з повітрям;

_БН - поверхневий натяг бітуму на межі розподілу з водою;

_Н - крайовий кут змочування водою підкладки.

Зі збільшенням цієї різниці зменшується водостійкість бітумної плівки. Проте цей критерій не розповсюджується на випадок бітумів, що вміщують ПАР, для котрих характерно зниження _БП та _Б і одночасне зростання зчеплення. Крім цього, експериментальне визначення _БН уявляється вкрай утрудненим.

У випадку використання напруження адгезії, інтенсивність витискування бітумної плівки водою тим більш, чим більш _Н^А - _Б^А 0 (_Н^А - напруження адгезії води до підкладки).

У рівноважному стані, коли вся підкладка вкрита плівкою бітуму, а вся система знаходиться у воді, наведена вище нерівність може бути перетворена у _НП - _БП 0.

Цей критерій також неоднозначний відносно бітумів, які вміщують ПАР, оскільки в цьому випадку cos _Б повинен зростати і приводити до підвищення водостійкості, а _БП падати і приводити до зворотної тенденції, що не відповідає дійсності.

Неоднозначність термодинамічних критеріїв і невідповідність умов аналізу і експериментальних оцінок умовам роботи системи в покритті приводить до необхідності використовувати для оцінки адгезійної активності різних бітумів найбільш близький до реальних умов показник - зчеплення бітуму з підкладкою. Додержуючись логіки термодинамічного аналізу, котра ґрунтується на порівнянні адгезійних параметрів, адгезійна активність (К^АА) ПАР у бітумі може бути оцінена як різниця показників зчеплення з підкладкою бітумів, які вміщують (С^БТ) і не вміщують (С^Б) ПАР, віднесена до відповідної концентрації ПАР (П^БТ):

.

У процесі технологічної підготовки бітум піддається дії високих температур, що може привести до відчутної зміни його властивостей. Проте ні до одного стандарту європейських країн, ні до стандарту CEN не включено показник збереження адгезійної активності бітумів після прогріву. Особливо важливою є оцінка адгезійної стабільності бітумів, які вміщують ПАР, оскільки ПАР можуть вступати до хімічних реакцій з компонентами бітуму і змінювати суттєво склад, поверхневі властивості і здатність бітуму до процесів взаємодії з підкладкою.

Беручи до уваги, що цільовим призначенням ПАР є підвищення водостійкості бітумної плівки на мінеральній поверхні, в якості критерія термічної стійкості ПАР може бути прийнято індекс термічної стабільності (I_ТС), який характеризує ступінь погіршення водостійкості після тривалого високотемпературного нагріву в'яжучого:

,

де С₀ та С_Н - зчеплення бітуму з мінеральною підкладкою до та після нагріву. При використанні цього критерію принципово важливим є вибір режиму випробування, який може бути визначено шляхом експерименту.

Технологія поліпшення бітумів ПАР гранично проста і не потребує складного обладнання та великих витрат для її здійснення. У той же час вартість ПАР надзвичайно висока і тому повинна бути урахована при виборі ПАР.

Критерій економічної ефективності у цьому випадку може бути подано як відношення коефіцієнта адгезійної активності при повній (100%) стійкості бітумної плівки до вартості (S) 1 т ПАР:

.

Інтегральний критерій ефективності ПАР повинен ураховувати втрату його активності після прогріву, а остаточна техніко-економічна оцінка того чи іншого ПАР повинна виконуватись з урахуванням факторів, які підвищують та знижують вартість асфальтобетону на бітумі з ПАР (зниження витрати в'яжучого та енерговитрат).

У третьому розділі розглядаються матеріали та методи, прийняті для досліджень. У роботі використане широке коло сучасних добавок: CECABASE-260 (Франція); TERAMIN 10, TERAMIN 12, TERAMIN 14 (Польща), УДОМ-1 (Україна). У якості базової характеристики зчеплення бітуму з мінеральною поверхнею прийнято показник, який визначають по ДСТУ Б. В.7-81-98 "Бітуми нафтові дорожні в'язкі. Метод визначення показника зчеплення з поверхнею скла і кам'яних матеріалів”. Поверхневий натяг бітуму _БП визначали за методом П.О. Ребіндера (метод максимального тиску у пузирчику), а крайовий кут змочування (_Б) методом краплі, що стоїть.

У четвертому розділі викладені результати дослідження впливу ПАР на властивості бітумів. Поверхневі властивості бітумів є визначальними в одержанні асфальтобетонних сумішей і формуванні граничних шарів асфальтобетону. Характерною особливістю температурної залежності _БП є його зменшення при переході від температури 100С до температури 160С на 10 мДж/м². Уведення 0,7% ПАР знижує _БП в усьому температурному діапазоні на 5.9 мДж/м². Походження ПАР, що були використані, слабко відбивалось на значенні _БП. Концентраційні залежності _БП є традиційними: при досягненні критичної концентрації ПАР, яка наближається до 0,2.0,3%, поверхневий натяг падає на 28.30%, а потім темп падіння знижується і поступово затухає, що, мабуть, пов'язано з насиченням поверхневого шару бітуму молекулами ПАР. Головним фактором зниження крайового кута (_Б) змочування є температура: _Б чистого бітуму при переході від 100С до 160С зменшується у 3,2 рази, а бітуму з 1% ПАР у 5,7.6,7 рази. Ступінь зменшення _Б падає по мірі переходу до низьких температур, що може бути пов'язано зі збільшенням в'язкого опору бітуму переходу ПАР на границю розподілу фаз.

Виконаний на підставі непрямого підходу (у припущенні, що _КП = const) аналіз показує, що поверхневий натяг на границі розподілу фаз бітум - кам'яний матеріал (_КБ) збільшується по мірі зменшення cos_Б і практично не залежить від температури і прийнятої ПАР. Таким чином, змочувальна здатність в'яжучого визначається в значному ступеню величиною _БП. Адгезійне напруження _БП cos_Б є вагомим фактором регулювання змочування: його зменшення на ліофільній поверхні сприяє змочуванню. Уведення 1% ПАР знижує _БП cos_Б на 5,5 мДж/м². Також, як і у випадку _БП та _Б, критична концентрація ПАР, яка відповідає різкому зламу концентраційної залежності адгезійного напруження, відповідає 0,2 - 0,3% ПАР, що досліджуються.

На підставі визначених закономірностей зміни поверхневих характеристик процес перемішування асфальтобетонних сумішей може бути уявлено як процес обволікання кам'яних матеріалів за рахунок розтікання по них бітуму і змочування їх поверхні бітумом. При цьому принцип еквив'язких температур, який відповідає в'язкості 0,5 Пас, покладений до основи призначення температур перемішування сумішей, уявляється однобічним, оскільки він не пояснює, чому уведення ПАР поліпшує обволікання, якщо в'язкість бітуму при цьому практично не змінюється. У той же час крайовий кут змочування суттєво (рис.1) залежить від температури і концентрації ПАР. Одне й те ж значення _Б досягається при різних температурах в залежності від концентрації. Якщо прийняти температуру 160С, як таку, що відповідає в'язкості 0,5Пас та _Б = 15 для вихідного бітуму, то значення цього куту для бітуму з вмістом 1% ПАР досягається при температурі, котра менша на 16С. Це кількісно доводить подвійну природу обволікання кам'яних матеріалів у процесі перемішування і дозволяє нормувати _Б в якості додаткового критерія призначення температурного режиму перемішування асфальтобетонних сумішей.

Оцінка впливу ПАР на властивості бітуму, пов'язані з його експлуатаційною поведінкою, здійснювалась шляхом визначення глибини занурення голки пенетрометра, температур розм'якшення та крихкості, а також розтяжності при 0 та 25С. Одержані дані показують, що розглянуті показники властивостей не зазнають суттєвих змін під дією прийнятої кількості ПАР.

Інваріантність стандартних характеристик відносно до ПАР можливо пояснити, якщо брати до уваги твердження А.С. Колбановської, що уведення ПАР не призводить до суттєвих змін групового складу бітумів. Це твердження добре узгоджується з результатами ІЧ-спектроскопії бітумів, що вміщують ПАР, згідно з якими їх ІЧ-спектри практично подібні ІЧ-спектру вихідного бітуму.

У той же час показник зчеплення бітуму з мінеральною поверхнею змінюється у широких межах (табл.1). Різке збільшення зчеплення відповідає достатньо малому вмісту ПАР (0,4%). За значенням показника адгезійної активності (К^АА), який відповідає 97-98% зчеплення, прийнятіПАР розташовуються у такому порядку: УДОМ (157); TERAMIN 10 (90); TERAMIN 14 (63); CECABASE (62); TERAMIN 12 (8,0). Цей показник є високочутливою характеристикою, що підтверджується також даними А.С. Колбановської відносно активності діаміну та октадеціламіну у активних та інактивних бітумах.

Великий ступінь збільшення показника зчеплення спостерігається при уведенні ПАР до менш в'язкого бітуму (для БНД 200/300 з 0,7% ПАР зчеплення збільшується у 4 рази, а для БНД 40/60 - у 2,3 рази). При цьому, однак, абсолютне значення показника зчеплення в'язкого бітуму залишається більш високим, ніж менш в'язкого (82% проти 67%), а значення К^АА для різних бітумів з одною ПАР (CECABASE) близькі одне до одного (70-74).

Таблиця 1 - Вплив вмісту ПАР на показник зчеплення бітуму зі склом та коефіцієнт адгезійної активності (К^АА)

ПАР можливо вважати ефективною у випадку, якщо її адгезійна активність не погіршується у процесі технологічної підготовки бітуму. Для оцінки стійкості адгезійних властивостей ПАР при нагріванні використано індекс температурної стабільності (І_ТС). Температурний ряд випробувань відповідав 140, 160 та 180С, а часовий 4, 8, 16, 24 години. Нагрів бітуму виконували у пенетраційних стаканах.

Загальна закономірність зміни зчеплення при прогріві полягає у тому, що воно зменшується у тим більшому ступеню, чим триваліше час та більше температура прогріву. Так, при тривалості термостатування 12 годин і температурі 140, 160 та 180С для чистого бітуму зчеплення відповідає 25, 22 та 15% (при значенні зчеплення до прогріву, рівному 35%). Для бітуму з УДОМ за цих же умов зчеплення дорівнює 85, 78, 76, 45% (при початковому значенні 100%). Порівняльна оцінка адгезійних властивостей бітумів з різними ПАР виконана після їх нагріву протягом 5 та 16 годин (табл.2). Згідно наведених даних, прийняті для досліджень ПАР суттєво відрізняються за температурною стабільністю.

Таблиця 2 - Зміна І_ТС бітуму з різними ПАР

У той же час абсолютні зміни температури розм'якшення, навіть після прогріву при 180С протягом 16 год, практично не виходять за границі, обмежені ГОСТ 22245-90. Значення глибини проникання при такому жорсткому режимі прогріву не виходить за границі, допущені стандартом CEN (Європейський Комітет по стандартизації) та проектом ДСТУ "Бітуми нафтові дорожні в'язкі. Технічні умови”, згідно якому зниження глибини проникання голки не повинно перевищувати 40%. Зміна істинної в'язкості, яку визначено при 100С після прогріву (180С протягом 5 годин) не виходить за границю 25%; з підвищенням температури випробування різниця між значеннями в'язкості до та після прогріву не перевищує 10%.

У п'ятому розділі наведені експериментальні дані з впливу ПАР на властивості асфальтобетону. Метою досліджень, викладених у розділі, є доказ слушності обраної моделі оцінки водостійкості бітумної плівки на мінеральній підкладці та відтворюваності одержаних з її допомогою результатів на асфальтобетонах. Водостійкість асфальтобетону оцінювали за значеннями коефіцієнтів водонасичення після 14 та 28 діб. Одержані результати показують, що, як і у випадку модельної системи, інтенсивне збільшення водостійкості і більш значне зниження водонасичення відповідає малому вмісту добавок - 0,4%. Уведення ПАР супроводжується деяким зростанням міцності, що мабуть обумовлено підвищенням щільності асфальтобетону - типовим ефектом для ПАР. Зі збільшенням вмісту ПАР, як і у випадку пари бітум - підкладка, зростає водостійкість асфальтобетону.

Між коефіцієнтами водостійкості асфальтобетону і показником зчеплення бітуму існує пряма залежність (рис. 2). Для однієї й тієї ж суміші темп збільшення коефіцієнтів водостійкості асфальтобетонів, які визначали на 14-ту та 28-му добу водонасичення, зі зростанням зчеплення однаковий. Ця залежність визначається не вмістом або маркою ПАР, а тільки значенням коефіцієнту зчеплення, який ця ПАР забезпечує. При цьому суттєве збільшення показника зчеплення (на 10%) незначно підвищує коефіцієнт водостійкості (1,6 - 2,0%).

Отже, ефективними у аспекті підвищення водостійкості асфальтобетону є добавки, які підвищують рівень зчеплення до 90-100% при малому їх вмісті. Варто звернути увагу на те, що у випадку оцінки ефективності ПАР за збільшенням коефіцієнту водостійкості асфальтобетону, вони розташовуються у тій же послідовності, що й у випадку ранжирування за показником зчеплення бітуму, який вміщує 0,7% ПАР.

Перевірку термостабільності ПАР здійснювали у такій послідовності: приготування сумішей при стандартній технологічній температурі 140С; приготування сумішей при такій же температурі на бітумах, попередньо витриманих при температурі 180 3С протягом 5 годин; приготування сумішей по традиційній технології і наступному їх термостатуванні при температурі 180С протягом 5 годин.

Найбільш небезпечним для водостійкості асфальтобетону є прогрів самої суміші. Він супроводжується: погіршенням ущільнювальності; зростанням показників міцності при усіх температурах з-за підвищення в'язкості бітуму. Але в найбільшому ступеню прогрів суміші впливає на водостійкість асфальтобетону (рис.3). Більш усього знижується водостійкість асфальтобетону на вихідному бітумі, а менш усього - асфальтобетону на бітумі з добавкою УДОМ. Значення показників тривалої водостійкості досягають неприпустимо низького рівня, набагато меншого, ніж передбачено стандартами, що діють. Проте, усі використані у роботі добавки забезпечили значно більшу водостійкість асфальтобетонів, у порівнянні з асфальтобетоном на вихідному бітумі. ПАР виступають у деякій мірі уповільнювачами падіння адгезійної активності бітумів. Різке погіршення водостійкости асфальтобетонів після прогріву пояснюється тим, що зміна властивостей бітумів у тонких шарах здійснюється інтенсивніше, ніж в об'ємі. Беручи до уваги те, що мінімальні товщини плівок бітуму у асфальтобетоні можуть досягати 2.4 мкм, слід вважати слушним твердження Л.Б. Гезенцвея про те, що найбільш небезпечною технологічною стадією приготування асфальтобетону є безпосередній контакт бітуму з перегрітими кам'яними матеріалами в процесі перемішування суміші.

Поряд з традиційним методом використання ПАР, проведені дослідження з виявлення впливу попередньої обробки кам'яних матеріалів водними розчинами ПАР різної концентрації. Як у випадку модельної системи (поверхня - бітум), так і при перемішуванні кам'яних матеріалів, оброблених розчинами, одержані позитивні результати. Показники зчеплення бітуму з підкладкою, що дорівнюють 85-95% від максимального для даного ПАР, досягаються після 60 сек. знаходження підкладки у розчині. Кількість 2-х процентного розчину ПАР, у випадку попередньої обробки суміші, котрий забезпечує високі показники водостійкості асфальтобетону, не перевищує 2% від маси кам'яних матеріалів. Загальна витрата ПАР при попередній обробці не перевищує 0,5-0,7% від маси бітуму. Таку технологію можливо використовувати при улаштуванні поверхневої обробки.

У шостому розділі висвітлена виробнича перевірка ефективності ПАР при улаштуванні асфальтобетонних покриттів. З цією метою на ділянці дороги ІІ технічної категорії Дніпропетровськ-Нікополь була збудована дослідна ділянка з асфальтобетонної суміші на основі бітуму, що вміщував 0,7% ПАР УДОМ-1. Загальна маса укладеної при цьому суміші складала 200 т. Мінеральна частина асфальтобетонної суміші відповідала гранулометрії типу "Б”. Бітум мав марку БНД 60/90.

Укладання суміші здійснювали з допомогою асфальтоукладальника типу ДС-195, а ущільнення суміші - двома 7-ми тонними гладкобарабанними котками. Властивості асфальтобетонів з сумішей, приготованих у лабораторії та на АБЗ, повністю відповідали вимогам ГОСТ 9128-84. Показник зчеплення бітуму після уведення до нього УДОМ-1 зріс з 57% до 96%, а коефіцієнт тривалої водостійкості асфальтобетону з 0,77 до 0,82. Властивості асфальтобетону з вирубок відповідали вимогам ГОСТ 9128-84, при цьому коефіцієнт тривалої водостійкості асфальтобетону на бітумі з УДОМ-1 дорівнював 0,79, а асфальтобетону на бітумі без ПАР - 0,74. На поверхні покриття через 18 місяців після його улаштування лущення відсутнє. З використанням результатів, одержаних в процесі дослідного будівництва, виготовлено 1230 т асфальтобетонної суміші з добавкою і улаштовано 3000 м² поверхневої обробки.

Порівняльна оцінка вартості асфальтобетонних сумішей показала, що при рівному вмісті бітуму вартість 1 тонни суміші з ПАР на 2,4 грн. вище, ніж на бітумі без ПАР. Урахування підвищення водостійкості асфальтобетонного покриття за рахунок використання ПАР дозволяє припустити, що міжремонтні строки служби покриттів можуть бути збільшені не менш, ніж у 1,2 рази.

Висновки

1. З урахуванням поверхневих явищ у системі - бітум, вода, кам'яна підкладка - теоретично обґрунтовані і експериментально перевірені показники адгезійної властивості та термічної стабільності ПАР у бітумі. Основою обох критеріїв є показник зчеплення в'яжучого з мінеральною підкладкою. Показники, що пропонуються, відрізняються високою чутливістю до особливостей бітумів та ПАР, вони дозволяють: визначити оптимальний вміст ПАР, який забезпечує максимальний ефект підвищення водостійкості; передбачити ступінь втрати активності при прогріві; з урахуванням вартості ПАР зробити об'єктивний висновок про ефективність використання ПАР.

2. Показники стандартних властивостей та в'язкість бітумів слабко залежать від складу (в границях до 1%) ПАР. Високою чутливістю до концентрації ПАР у бітумі володіють поверхневий натяг бітуму на границі з повітрям, крайовий кут змочування, адгезійне напруження. Ступінь впливу ПАР на крайовий кут змочування підсилюється з підвищенням температури. Усі перелічені характеристики можливо використовувати для вибору мінімально необхідного вмісту ПАР у бітумі.

3. Процес перемішування асфальтобетонної суміші може бути подано як процес обволікання кам'яних матеріалів за рахунок розтікання бітуму, ступінь якого визначається нормованим рівнем в'язкості (менш 0,5 Пас) і змочуванням, для котрого мінімально необхідне значення крайового кута може бути прийняте рівним 15. З огляду на те, що в'язкість бітуму при високих температурах практично не залежить від вмісту (до 1%) ПАР, а крайовий кут змочування при цьому зменшується у найбільшому ступеню, кращі перемішування асфальтобетонних сумішей і можливість зниження температури перемішування на 15.20С при використанні ПАР обумовлені поверхневими явищами на границі розподілу фаз, а саме процесом змочування.

4. З усіх стандартних показників якості бітуму найбільш чутливим відносно дії ПАР є показник зчеплення бітумної плівки зі скляною поверхнею у воді. Він зростає зі збільшенням вмісту ПАР у бітумі і досягає для кращих, вивчених у роботі, ПАР 100% -ого значення при їх вмісті 0,7-1,0%. Уведення ПАР до малов'язкого бітуму спричиняє більш високе відносне зростання зчеплення у порівнянні з уведенням тієї ж кількості ПАР до більш в'язкого бітуму. Проте, абсолютні значення зчеплення більш в'язких бітумів при рівному вмісті ПАР завжди вищі, ніж малов'язких бітумів.

5. Загальною особливістю концентраційних залежностей поверхневого натягу, крайового куту змочування, адгезійного напруження, показника зчеплення та коефіцієнта адгезійної активності є близькість критичних вмістів ПАР (0,2-0,4%), при яких різко зростає темп змінення усіх зазначених властивостей, що свідчить про єдність механізму їх формування.

6. Під впливом нагріву стандартні властивості бітуму та бітуму з ПАР змінюються тим інтенсивніше, чим вище температура та більший час експозиції. Однак, відмінності у значеннях температури розм'якшення початкового бітуму та бітуму з ПАР, навіть після самого жорсткого з вивчених режимів прогріву (180С і 16 годин), не перевищують 1,5С, а значення глибини проникання голки при 25С - не більш 8 х 0,1 мм.

7. Найбільш чутливі до дії високих температур показник зчеплення та індекс температурної стабільності. Значення показника зчеплення бітумів з усіма вивченими ПАР залишаються більшими, ніж показник зчеплення вихідного бітуму. Отже, ПАР виконують роль уповільнювача старіння бітуму. Висока чутливість показника зчеплення бітумів до нагріву передбачає необхідність нормування рівня його зниження у процесі технологічного старіння.

8. Підвищення водостійкості асфальтобетону, що вміщує ПАР, визначається показником зчеплення бітуму з мінеральною підкладкою, величина якого забезпечується або вмістом ПАР, або його адгезійною активністю. Між коефіцієнтами тривалої водостійкості асфальтобетону і показниками зчеплення бітуму з поверхнею скла (у межах 30-100%) існує безпосередній зв'язок. Зростання показника зчеплення бітуму на 10% супроводжується збільшенням коефіцієнта тривалої водостійкості на 0,017-0,020 відносних одиниць.

9. Зменшення зчеплення бітуму в результаті його об'ємного прогріву супроводжується зменшенням коефіцієнта тривалої водостійкості асфальтобетону з тією ж інтенсивністю, що й у випадку підвищення зчеплення бітуму при уведенні до нього ПАР. Найбільш небезпечним для водостійкості асфальтобетону є перегрів самої суміші. З-за тонкоплівкового розподілення бітуму на поверхні кам'яних матеріалів (2-4 мкм) показники водостійкості асфальтобетону знижуються до неприпустимо низьких значень: на вихідному бітумі до 0,47. а на бітумі з ПАР до 0,56-0,65. Проте, як і у випадку модельної системи, показники водостійкості асфальтобетону на бітумі з ПАР завжди вищі, ніж асфальтобетону на вихідному бітумі, що свідчить про уповільнюючу дію ПАР на процеси старіння.

10. Приготування асфальтобетонних сумішей, що вміщують ПАР, на АБЗ і улаштування з них асфальтобетонних покриттів показали повну узгодженість експериментальних і натурних даних. З використанням ПАР УДОМ-1 виготовлено і укладено до покриття 1230 т асфальтобетонної суміші, а також улаштовано 3000 м² поверхневої обробки. Експериментальні дані та виробничий досвід покладені до основи "Методичних рекомендацій з оцінки адгезійної активності бітумів, які вміщують поверхнево-активні речовини”.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено у таких публікаціях

1. Писанко А.О., Агеєва О.М., Золотарьов В.О. Адгезій ні властивості бітумів з домішками різних поверхнево-активних речовин // Автошляховик України. - 1999. - № 4. - С.31-32.

Автором запропонована постановка задачі, визначені об'єкти дослідження, розроблено програму експерименту, виконано аналіз одержаних результатів та їх узагальнення.

2. Писанко А.О., Золотарьов В.О. Температурна стабільність властивостей бітумів з поверхнево-активними речовинами // Автошляховик України. - 2000. - № 1. - С.36-37.

Автор прийняв участь у постановці задач та програми досліджень, виборі режимів випробувань, організації та виконанні експериментальних робіт, узагальненні результатів дослідження.

3. Писанко А.О., Єфремов С.В., Агеєва О.М., Золотарьов В.О. Температурна стабільність властивостей асфальтобетонів на бітумах з поверхнево-активними речовинами // Автошляховик України. - 2000. - № 3. - С.35-36.

Автор запропонував ідею роботи, обґрунтував об'єкти досліджень, прийняв участь в організації та виконанні експерименту, а також узагальненні його результатів і формуванні висновків.

Анотація