Одним из технологических свойств асфальта является его однородность. Под ней понимают равномерность распределения зерен в составе смеси и стабильность ее качества.
Эта характеристика асфальтобетонной смеси (АБС) во многом определяет долговечность дорожных работ. При укладке неоднородного материала получается асфальт с очень нестабильными физико-механическими свойствами. Прочные участки в нем чередуются с хрупкими, плотные – с пористыми. Такое покрытие быстро начинает трескаться и крошиться, в нем появляются ямы и выбоины.
Особенностью АБС и других зернистых материалов является их тенденция к сегрегации (разделению).
В контексте асфальтобетона важны два вида сегрегации:
- Фракционная – расслаивание смеси по фракциям
- Температурная – наличие более теплых и более холодных участков в смеси
Соответственно, под сегрегируемостью (разделимостью) понимают способность материала сопротивляться сегрегации и сохранять свою однородность. Улучшение этого свойства – одна из актуальных проблем в сфере дорожного строительства.
Если вам хочется больше узнать о методах оценки однородности АБС, рекомендуем прочитать нашу статью Однородность асфальта.
В этой же статье мы рассмотрим такие вопросы:
- Механизм и причины фракционной сегрегации
- Механизм температурной сегрегации
Подробно об этом читайте дальше.
Механизм и причины фракционной сегрегации
Данное явление изучается физикой зернистых материалов. Но эта научная область выделилась сравнительно недавно, и на данный момент фракционная сегрегация толком не изучена. Поэтому четкого объяснения ее механизма до сих пор нет. Точно не установлено, какие факторы и в какой степени влияют на разделимость сыпучих смесей.
Тем не менее, в ходе практических опытов с различными материалами исследователи смогли выделить ряд закономерностей зернового разделения.
Так, АБС может расслаиваться под действием:
- Гравитационных сил при свободной засыпке
- Вертикальных колебаний
- Горизонтальных колебаний
- Центробежных и центростремительных сил при вращении барабана
Давайте поговорим о каждом случае подробнее.
Сегрегация при свободной засыпке
Вы наверняка замечали, что зернистые материалы – такие как песок, щебень, гравий – при засыпке образуют конусообразную кучу. Угол наклона такого конуса в механике называют углом естественного откоса.
Он зависит от множества характеристик материала, в том числе от:
- Зернового состава и размера зерен
- Массы зерен
- Формы зерен
- Степени сцепления между зернами
- Влажности материала
Суть этого свойства можно пояснить на примере обычного песка, с которым всем наверняка доводилось играть в детстве. Угол откоса сухого песка относительно небольшой – примерно 34°. Это говорит о том, что материал под своим весом быстро осыпается и совсем не держит форму. А вот у влажного он заметно больше – уже 45°. И действительно, влажный песок пластичен, из него можно лепить куличики и дворцы. При засыпке он образует достаточно высокую кучку.
Какое отношение это имеет к асфальту? Дело в том, что в состав асфальтобетонной смеси входят разные по размеру минеральные наполнители: щебень (или гравий) крупных и мелких фракций, песок. У каждого из них свой угол откоса. И при свободной засыпке они как бы стремятся принять форму, свойственную конкретно для этого материала. В результате смесь расслаивается.
При этом наблюдается два основных принципа сортировки:
- По размеру зерен
Более крупные зерна под действием гравитации скатываются к подножию склона, тогда как мелкие задерживаются на вершине. - По форме зерен
Частицы угловатой формы и с шероховатой поверхностью (такие свойственны щебню и отсеву) обладают более высоким сцеплением и медленнее скатываются вниз. В то же время окатанные зерна (гравий и природный песок) легко сползают к подножию.
Открытым остается вопрос о взаимодействии этих двух закономерностей. Например, как поведет себя смесь щебня неправильной формы и отшлифованного речного песка при засыпке? Ответить на него можно только экспериментальным путем.
Сегрегация при вертикальных колебаниях
Асфальтобетонная смесь подвергается вертикальным колебаниям в ходе транспортировки и укладки – например, когда самосвал «подпрыгивает» на неровностях дороги или когда ее уплотняют виброкатком.
Такое воздействие на материал вызывает следующие эффекты:
- Просеивание мелких частиц
- Эффект «бразильского ореха»
- Обратный эффект «бразильского ореха»
- Расслаивание бинарной смеси
- «Зернистые часы»
Давайте кратко их рассмотрим.
Просеивание мелких частиц
Это явление интуитивно понятно и заключается в том, что мелкие частицы материала под действием легкой вибрации просачиваются сквозь промежутки между крупными зернами. Получается, что при перевозке асфальтобетонной смеси мелкий наполнитель в ее составе падает на дно кузова, тогда как крупная щебенка остается лежать в верхних слоях.
Этот эффект, кстати, учитывается при производстве сит для разделения щебня и других материалов на фракции. Мелкие частицы легко проходят сквозь промежутки между крупными тогда, когда их диаметры различаются более чем в 2,4 раза. Именно поэтому верхняя и нижняя границы одной фракции относятся друг другу как 1:2 или меньше: например, 5-10, 10-20, 20-40 и так далее.
Эффект «бразильского ореха»
А вот это явление было бы очень сложно предсказать без специальных экспериментов. Оно заключается в том, что крупная и тяжелая частица, засыпанная мелкозернистым материалом, под действием вертикальных колебаний «всплывает» наверх.
Механизм у этого эффекта такой: при вертикальной тряске тяжелая частица приподнимается, и под ней образуются воздушные пустоты. Под действием силы тяжести их тут же заполняют мелкие зерна. Этот процесс неоднократно повторяется, и в результате крупное зерно поднимается к самому верху смеси.
Обратный эффект «бразильского ореха»
Это любопытное явление было подтверждено в ходе очень простого опыта. В банку с песком поместили два разных по плотности предмета: стальную гайку и пластмассовый болт. Банку затем хорошенько встряхнули. Тяжелая гайка ожидаемо поднялась на поверхность в соответствии с эффектом «бразильского ореха». А вот легкий болт опустился на дно даже несмотря на то, что его плотность была ниже плотности песка.
Ряд исследований позволил вывести примерную зависимость между диаметрами и массами зерен, которая запускает прямой или обратный эффект «бразильского ореха». Ее можно представить в виде соотношения:
Если k больше 1, то крупное зерно будет всплывать, а при k<1 – тонуть.
Расслаивание бинарной смеси
Описанные выше эффекты имеют место при взаимодействии крупно- и мелкозернистых материалов. А если смесь состоит из частиц примерно одного размера, но с разными показателями плотности?
Эксперименты показывают, что в такой смеси тоже имеет место эффект «бразильского ореха», только в ином масштабе. Это значит, что плотные зерна постепенно поднимаются наверх, уступая место легким. В конечном итоге происходит полное расслоение материала на две составляющие.
«Зернистые часы»
Так обозначается целая группа явлений, которые наблюдаются при засыпании зернистой смеси в одну половину сосуда, разделенного перегородкой.
Выделяется четыре режима поведения смеси при вертикальных колебаниях:
- Материал равномерно распределяется между двумя частями сосуда без сегрегации
- Материал полностью перемещается из одной части в другую; при этом перегородку сначала преодолевают мелкие зерна, и только потом – крупные
- Материал полностью сегрегируется: мелкие зерна в одной части, крупные – в другой
Переход от одного режима к другому при этом осуществляется при изменении амплитуды и частоты колебаний.
Сегрегация при горизонтальных колебаниях
Этот вид сегрегации также наблюдается при транспортировке смеси или уплотнении покрытия с использованием виброкатков и виброплит.
Здесь выделяются три эффекта:
- Эффект «бразильского ореха»
- Расслоение бинарной смеси
- Сегрегация при круговой вибрации
Кратко остановимся на каждом из них.
Эффект «бразильского ореха»
Он идентичен описанному выше явлению с точностью до наоборот. При горизонтальных колебаниях тяжелые включения опускаются на дно, тогда как легкие всплывают на поверхность.
Механизм этого вида сегрегации изучен хуже, чем аналогичный эффект при вертикальной вибрации. Исчерпывающего объяснения для него пока нет.
Расслоение бинарной смеси
Как и при вертикальных колебаниях, горизонтальная вибрация приводит к разделению смеси на составляющие. При этом более крупные зерна занимают верхний слой, а мелкие – нижний.
Отдельно стоит упомянуть влияние влажности на скорость и эффективность сегрегации. Эксперименты показали, что при небольшом увлажнении смеси ее сегрегируемость резко возрастает. Но если продолжить добавлять влагу, то процесс расслоения замедляется. Именно на этом наблюдении базируется один из способов борьбы с сегрегацией асфальта – увеличение содержания битума в составе смеси.
Сегрегация при круговой вибрации
Это явление было открыто в ходе эксперимента, для которого смесь шариков разной массы засыпали на круглый поднос и начали сообщать им вихреобразные колебания. В результате произошло разделение смеси по массе: тяжелые шарики оказались в центре подноса, а легкие центробежной силой отнесло к стенкам.
Сегрегация при вращении барабана
Данный вид сегрегации проявляется в ходе приготовления АБС в мешалках гравитационного действия.
Это очень хороший пример того, насколько сложной областью является механика зернистых материалов. Ведь кажется само собой разумеющимся, что чем дольше смесь перемешивается в барабане, тем она однороднее. Но на практике дела обстоят совсем не так.
Здесь нужно отметить два явления:
- Радиальная сегрегация
- Осевая сегрегация
Ниже мы кратко их рассмотрим.
Радиальная сегрегация
Выше мы отмечали, что при круговом вращении в горизонтальной плоскости тяжелые зерна смещаются к центру, а легкие – к краям. Было бы логично ожидать, что такое же явление будет наблюдаться в барабанном смесителе. В реальности же эффект прямо противоположный: мелкие частицы скапливаются в центре, тогда как крупные смещаются к краям.
Осевая сегрегация
При длительной работе гравитационного смесителя радиальная сегрегация переходит в осевую. Она проявляется в расслоении смеси на полосы крупно- и мелкозернистого материала, расположенные вдоль оси вращения барабана.
Одно из возможных объяснений этого явления состоит в том, что более крупные и тяжелые зерна задерживаются у торцов барабана, тогда как мелкие перемещаются к его середине. Однако единой рабочей теории пока не существует.
Наблюдения за сегрегацией зернистых материалов в барабане в свое время позволили вывести ряд новых требований к производству АБС.
Теперь при замешивании асфальта рекомендуется:
- Четко соблюдать временные рамки и не допускать длительной работы барабана, которая может привести к сегрегации
- Использовать лопастные мешалки вместо гравитационных
Мы посмотрели, как ведут себя зернистые материалы под действием вибрации и гравитационных сил. Многие из упомянутых явлений до сих пор не имеют четкого объяснения, а иногда даже противоречат существующим научным теориям и здравому смыслу. Изучение фракционной сегрегации и ее механизмов – это актуальная проблема современной физики.
Теперь давайте поговорим о втором виде неоднородности, который может серьезно ухудшить качество АБС.
Механизм температурной сегрегации
Это явление с физической точки зрения объяснить гораздо легче, чем зерновое расслоение. Оно заключается в том, что масса асфальтобетонной смеси в ходе ее хранения и транспортировки остывает неравномерно. Перепады температур впоследствии приводят к дефектам покрытия.
Вот как это происходит:
- Горячая АБС загружается в холодный кузов самосвала. Те участки смеси, которые прилегают к бортам, начинают стремительно остывать. Охлаждается также и верхний слой, обдуваемый ветром. При этом центр может еще долго сохранять прежнюю температуру.
- При подаче в асфальтоукладчик сначала выгружается остывшая масса (которая лежала у заднего борта), за ней – горячая (центр), затем опять остывшая (смесь от боковых бортов и передней части кузова).
- Асфальтоукладчик вперемешку укладывает холодные и горячие куски смеси на основание.
- Остывшая смесь хуже поддается уплотнению, чем горячая. Поэтому в готовом покрытии образуются недоуплотненные участки – «холодные пятна».
Эти места в покрытии отличаются повышенной пористостью, а значит – более подвержены воздействию влаги, менее морозостойки. Именно здесь в первую очередь начинает крошиться асфальт, появляются трещины и выбоины.
Полную версию данной статьи вы найдете на нашей странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#асфальт #асфальтобетон #асфальтовое покрытие #асфальтобетонное покрытие #асфальтированное покрытие #сегрегируемость асфальта #сегрегируемость #сегрегируемость асфальтобетона #свойство сегрегации #полезные советы
