CC BY
21УДК 691.32
ВЛИЯНИЕ АНТИГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ НА
КОРРОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Е.В. Строганов, Г.С. Меренцова
В работе приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния антигололедных реагентов на коррозионную устойчивость асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, с точки зрения контактных взаимодействий на границе «заполнитель - растворная часть».
Ключевые слова: антигололедный реагент, коррозионная устойчивость асфальтобетона, долговечность асфальтобетона, битум.
ВВЕДЕНИЕ
Основной причиной снижения сроков службы асфальтобетонных покрытий дорог является возникновение деформаций и разрушений под воздействием механических напряжений от транспортных средств и агрессивных растворов антигололедных реагентов, что связано с недостаточной коррозионной устойчивостью применяемых асфальтобетонов.
Асфальтобетон разрушается, лавным образом, при длительном или периодическом увлажнении, а также в результате попеременного замораживания и оттаивания. Более разрушительно действие воды, замерзающей в порах асфальтобетона, при этом увеличиваясь в объеме, она вызывает напряжения в стенках пор.
Химическая стойкость асфальтобетонного покрытия в отношении агрессивных сред определяется способностью битума противостоять агрессивной среде, степенью водона-сыщения и набухания в агрессивной среде, коэффициентом диффузии, характеризующим скорость проникновения среды в покрытие, устойчивостью к агрессивной среде минерального материала, сохранением прочностных свойств асфальтобетона.
Все традиционные и перспективные антигололедные реагенты взаимодействуют с компонентами асфальтобетона, разрушая его структуру и снижая важнейшие показатели его технологических свойств. Либо эти процессы протекают за счет увеличения количества полярных групп и растворимости отдельных компонентов битума, вызывая изменения в групповом составе битума, либо за счет уменьшения краевого угла смачивания в дальнейшем происходит химическое взаимодействие и вымывание растворимых продук-
тов реакции карбоната кальция из тонкодисперсного известнякового наполнителя.
Актуальным является разработка эффективных антигололедных реагентов, не вызывающих или снижающих разрушения структуры асфальтобетона, повышающих его коррозионную устойчивость.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Как показали проведенные исследования, критериальной оценкой коррозионной устойчивости и долговечности дорожных бетонов может служить механическая долговечность контактной зоны, зависящая от адгезионной прочности. При этом процессы контактных взаимодействий на границе «заполнитель - растворная часть» должны быть рассмотрены с позиции кинетической теории прочности с учетом комплексных факторов воздействия внешней среды (попеременного замораживания - оттаивания), что позволяет прогнозировать стойкость структуры асфальтобетона в атмосферных условиях, вызывающих разрушения покрытий дорог [1].
Установлено, что разрушение асфальтобетона начинается с нарушения контакта «заполнитель - растворная часть», при этом контактная зона играет существенную роль в долговечности асфальтобетона покрытий автомобильных дорог [1].
Выявлено, что в асфальтобетоне, подверженном коррозионному разрушению, при отсутствии внешних напряжений, вызванных транспортными нагрузками, обычно происходят сравнительно небольшие разрушения на его поверхности (отделение битумной пленки с нарушением контакта «битум - минеральный материал», выкрашивание, появление хрупкости), изменяется групповой состав битума в сторону увеличения содержания ас-
фальтенов, в результате чего повышается температура размягчения. При этом ухудшаются пластические и адгезионные свойства битума и асфальтобетона, что способствует потере прочностных характеристик асфальтобетонных покрытий при отрицательных температурах. Разрушение асфальтобетона при различных циклических воздействиях среды (замораживание и оттаивание, намокание и высушивание) суммирует разрушения, происходящие при суммарном действии этих факторов [2].
Отделение пленки битума способствует снижению гидроизоляционных свойств асфальтобетонного покрытия. Это способствует усилению проникающей способности антигололедных реагентов вглубь асфальтобетонного покрытия и интенсификации процессов разрушения.
Для выявления влияния антигололедных реагентов на коррозионную устойчивость асфальтобетонных покрытий проведены экспериментальные исследования, при которых были созданы более жесткие условия испытания за счет совместного влияния замораживания - оттаивания при одновременном воздействии растворов антигололедных реагентов, так как в этих условиях асфальтобетон быстрее теряет коррозионную устойчивость.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования по влиянию химических антигололедных реагентов на коррозионную устойчивость асфальтобетона проводились с применением традиционной соли ЫаО! и разработанного антигололедного реагента КОМД-3.
Для определения прочностных характеристик асфальтобетонные образцы изготавливались из горячей плотной асфальтобетонной смеси типа Б, I марки. Контрольные и основные образцы после насыщения в течении 48ч подвергали испытанию на замораживание - оттаивание в растворах антигололедных реагентов и определению предела прочности при сжатии.
Исследования влияния антигололедных реагентов на сцепление минерального материала с вяжущим в дорожных асфальтобетонах проводили по разработанной методике оценки адгезионной прочности на специальном приборе [3] при попеременном замораживании-оттаивании в растворах исследуемых антигололедных реагентов. Испытания проводились на битуме марки БНД 60/90, при этом в качестве каменного минерального ма-
териала использовался мелкозернистый гранит.
Оценка влияния антигололедных реагентов на механическую долговечность контактной зоны проводилась по методике оценки адгезионной прочности при условии одноосного растяжения [3] на песчаном асфальтобетоне ТИП Д на битуме марки БНД 60/90. При этом для объективной оценки адгезионной прочности учитывалась длительность воздействия приложенной нагрузки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведения экспериментальных исследований по влиянию антигололедных реагентов на изменение прочностных показателей асфальтобетона при попеременном замораживании-оттаивании в растворах антигололедных реагентов получены зависимости (рисунок 1) которые свидетельствует о том, что прочность асфальтобетона после 100 циклов замораживания-оттаивания в 5%-ом растворе хлорида натрия снижается в 1,3раза, а в 5%-ом растворе антигололедного реагента КОМД-3 - в 1,2 раза.
При этом снижение прочности происходит более интенсивно в течение первых 50-ти циклов замораживания-оттаивания, а впоследствии менее интенсивно.
Прочность образцов асфальтобетона после 100 циклов замораживания-оттаивания в 5%-ом растворе хлорида натрия по сравнению с образцами, в 5%-ом растворе антигололедного реагента КОМД-3 ниже на 2%.
Анализ изменения физико-механических свойств асфальтобетона дают основание предполагать, что химические реагенты воздействуют непосредственно на границу раздела фаз высококонцентрированной дисперсной системы - «битум-поверхность минеральных частиц», что приводит к нарушению контактного взаимодействия и уменьшению действующих элементарных связей в микроструктуре асфальтобетона.
В процессе искусственного моделирования процесса воздействия антигололедных материалов, при различных температурах замораживания и оттаивания, на составляющие асфальтобетона (битум, каменный заполнитель) выявлено, что контакт «битум-поверхность минеральных частиц» оказывается прочнее, чем прочность битума, что свидетельствует о воздействии химических реагентов в большей степени на битум в прилегающей зоне к каменному заполнителю, расшатывая его структуру, способствует снижению его свойств.
ВЛИЯНИЕ АНТИГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ НА КОРРОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Рисунок 1 - Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона в зависимости от количества циклов замораживания-оттаивания в растворах ПГР: 1 - 5%-ый раствор КОМД-З(^);
2 - 5%-ый раствор №О!(я)
Рисунок 2 - Изменение адгезионной прочности в контактной зоне «битум-заполнитель» при замораживании-оттаивании в растворах ПГР: 1 - в 5%-ом растворе КОМД-3; 2 - в 5%-ом
растворе ШО!
Полученные зависимости (рисунок 2) между сцеплением в контактной зоне «битум-заполнитель» (а10-1) и количеством циклов замораживания-оттаивания (Ы), свидетельствует о том, что под воздействием антигололедного реагента КОМД-3 адгезионная прочность после 15 циклов замораживания-оттаивания снижается на 1,5% по сравнению с контрольным составом, а в растворе хлорида натрия на 4,8%, при этом снижение в течение первых 5 циклов замораживания-оттаивания более интенсивно.
Интенсификация процесса снижения адгезионной прочности прогрессирует при более низких температурах замораживания.
Установлено, что после 15 циклов замораживания при -20°С и оттаивания при +20°С, напряжения в битуме, по сравнению с контрольным составом, снижаются в растворе реагента КОМД-3 на 10%, а в растворе хлорида натрия на 28%.
Однако более объективно о воздействии антигололедных реагентов на снижение коррозионной устойчивости асфальтобетона можно судить по оценке напряжений в контактной зоне «каменный материал - растворная часть асфальтобетона».
В результате проведенной серии экспериментальных исследований установлено, что увеличение адгезионной прочности ка-
менного материала с растворной частью асфальтобетона соответствует повышению механической долговечности контактной зоны.
При этом отрицательное влияние (агрессивное воздействие ПГР на асфальтобетон) на механическую долговечность контактной зоны характеризуется смещением полученных зависимостей (формула 1, 2) в сторону меньших значений относительного контрольного состава (формула 3). Об этом свидетельствуют коэффициенты полученных линейных функций:
N801: у = -66,609х + 9,3757 (1) КОМД-3: у = -61,818х + 9,1642 (2) КОНТР: у = -56,452х + 9,5361 (3) В результате проведенных исследований, установлен обобщающий критерий контактных взаимодействий [1], характеризующий коррозионную активность антигололедных реагентов на асфальтобетон:
К = а • (тр - 2Ь2)
тр ~ а2 • ( 1Е Тр - 2Ь1)
(4)
где а1, Ь1 и а2, Ь2 - коэффициенты регрессии зависимостей соответственно для сравниваемых составов; тр - установленный фиксированный уровень времени разрыва, соответствующий 1дт= 7,15.
При этом , чем ближе значение КкОр к 1,0, тем меньше коррозионная активность антигололедного реагента на асфальтобетон.
Установлено, что при воздействии растворов антигололедных реагентов на асфальтобетон адгезионная прочность при попеременном замораживании-оттаивании ниже, чем при воздействии воды. Механическая долговечность асфальтобетона, характеризующаяся критерием контактных взаимодействий, при воздействии антигололедного реагента КОМД-3 после 10 циклов замораживания оттаивания снижается на 8% (Ккор=0,9), а при воздействии антигололедного реагента ЫаО! - на 15% (Ккор=0,8). При этом с увеличением количества циклов замораживания-оттаивания снижение механической долговечности интенсифицируется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено:
1. Прочность асфальтобетона после 100 циклов замораживания-оттаивания в 5%-ом растворе хлорида натрия ниже на 2% по сравнению с образцами, в 5%-ом растворе антигололедного реагента КОМД-3. При этом снижение прочности происходит более ин-
тенсивно в течение первых 50-ти циклов замораживания-оттаивания, а впоследствии медленнее.
2. Адгезионная прочность после 15 циклов замораживания-оттаивания под воздействием хлорида натрия снижается на 4,8% по сравнению с контрольным составом, а в растворе антигололедного реагента КОМД-3 на 1,5%, при этом снижение в течение первых 5 циклов замораживания-оттаивания более интенсивно. Интенсификация процесса снижения адгезионной прочности прогрессирует при более низких температурах замораживания. Установлено, что при замораживании при -20°С и оттаивании при +20°С после 15 циклов, снижение адгезионной прочности в растворе хлорида натрия происходит сильнее на 18%, чем в растворе реагента КОМД-3.
3. Напряжения в контактной зоне «каменный материал - растворная часть асфальтобетона», при воздействии антигололедного реагента КОМД-3 после замораживания оттаивания выше на 7% чем при воздействии антигололедного реагента ЫаО!. Полученные в ходе исследований значения механической долговечности при воздействии на асфальтобетон антигололедных реагентов при попеременном замораживании и оттаивании позволяют прогнозировать коррозионную устойчивость асфальтобетона.
4. При применении антигололедного реагента КОМД-3, повышается коррозионная устойчивость асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Это обусловлено химическими реакциями, происходящими в по-ровой системе материала с образованием структур, которые кольматируют поры и снижают возможность проникновения агрессивного раствора в асфальтобетон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Г.С. Меренцова «Физико-химические и технологические аспекты повышения долговечности дорожных бетонов». Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции. Барнаул. Изд-во АлтГТУ, 2001. - 340 с.
2. Г.С. Меренцова, Е.В. Строганов «Учет физико-химических и экологических факторов при оптимизации составов пескосоляных смесей». Второй Всероссийский Дорожный Конгресс: сб. науч. тр. / МАДИ, МОО «Дорож. Конгресс». - М., 2010. - 439 с., ил.
3. Г.С. Меренцова, А.В. Ришес «Прибор для определения силы сцепления битума с камнем в асфальтобетоне». Авторское свидетельство Э11 1065776 А.
