Анализ влияния антигололедных реагентов на структуру на структуру асфальтобетонного покрытия

1.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
на тему: Анализ влияния антигололедных
реагентов на структуру на структуру
асфальтобетонного покрытия
Студент:
ОСИПОВА АННА СЕРГЕЕВНА
Научный руководитель:
к.т.н., ст. преподаватель Антоненко М.В.

2.

Актуальность
темы
диссертации
обусловлена
необходимостью повышения долговечности дорожных
покрытий, особенно в условиях эксплуатации в зимний
период, когда активно применяются противогололедные
реагенты.
Современная дорожная инфраструктура сталкивается с
проблемой преждевременного разрушения асфальтобетонных
покрытий, что ведет к увеличению затрат на их ремонт и
содержание. Долгое время считалось, что химические
реагенты, используемые для борьбы с гололедом, не
оказывают значительного воздействия на асфальтобетон,
однако исследования последних лет свидетельствуют об
обратном.
Контакт асфальтобетона с растворами противогололедных
материалов приводит к изменению структуры битума и
минеральных
компонентов,
снижению
прочности,
водостойкости и устойчивости к механическим нагрузкам.

3.

Цель диссертационного исследования - заключается в изучении влияния противогололедных реагентов на структуру и
свойства асфальтобетона с целью выявления механизмов его разрушения и разработки методов повышения
долговечности дорожных покрытий.
Объектом исследования - является асфальтобетонное покрытие автомобильных дорог, подвергающееся воздействию
противогололедных реагентов в условиях эксплуатации.
Предмет исследования – механизмы химического и физико-химического взаимодействия противогололедных
реагентов с битумом и минеральными компонентами асфальтобетона, динамика изменения его физико-механических
характеристик, процессы деградации поверхностного слоя при длительном водопоглощении и циклическом
замораживании-оттаивании, а также влияние состава асфальтобетонных смесей на их устойчивость к агрессивным
средам.

4.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены
следующие задачи исследования:
1) Изучить основные механизмы химического и физико-химического
взаимодействия противогололедных реагентов с битумом и
минеральными компонентами асфальтобетона, выявить ключевые
процессы, приводящие к деградации материала.
2) Провести классификацию противогололедных реагентов по их
воздействию на асфальтобетонные покрытия и определить основные
факторы, влияющие на скорость разрушения дорожного покрытия в
агрессивных средах.
3) Качественно и количественно оценить динамику изменения
нормируемых физико-механических свойств асфальтобетона (прочность,
водонасыщение, морозостойкость, адгезия) при длительном контакте с
химическими реагентами.
4) Провести лабораторные исследования различных составов
асфальтобетонных смесей, определить их устойчивость к воздействию
противогололедных реагентов.

5.

Научная новизна исследования заключается в комплексном анализе влияния противогололедных реагентов на структуру и
свойства асфальтобетона, что позволяет выявить новые закономерности разрушения дорожных покрытий. Впервые
выполнена количественная оценка динамики изменения физико-механических характеристик асфальтобетона (прочности,
водостойкости, морозостойкости, адгезии) при длительном воздействии противогололедных реагентов.
Достоверность теоретических решений обеспечивается использованием апробированных методик лабораторных
исследований, включающих как стандартные, так и специализированные методы анализа физико-механических
характеристик асфальтобетона.
Теоретические выводы подтверждаются результатами экспериментальных исследований, в которых использованы
надежные методы контроля структурных изменений, оценки прочности и долговечности материала.

6.

В первой главе рассмотрены основные методы борьбы с
зимней скользкостью, влияющие на срок службы дорожного
покрытия, включая механические нагрузки, климатические
условия и применение химических реагентов.
Метод
Химический
Фрикционный
Комбинированный
Конструкционный
Используемый
материал
Соли,
антигололедные
реагенты
Песок, щебень,
шлак и т. п.
Фрикционный материал и
химический реагент
Добавки в асфальтобетон, Топливо или
гидрофобизаторы
электроэнергия
Время
распределени
я материала
До, в период или
после образования
зимней
скользкости
После образования
зимней скользкости
В период или после
образования
зимней
скользкости
При устройстве покрытия
из ПГМ-гидрофобизаторов
В период
или после
образования
зимней
скользкости
Температура
использования
До минус 12
оС (отдельные
– до минус
90 оС)
Не ограничена
Не ограничена
До минус (3–7) оС
Не ограничена
Добавки в
асфальтобетон – до 7
лет; гидрофобизаторы
– до 2 лет
Не органичен
во время
гололеда
Продолжительн
ость действия
Описаны механизмы разрушения асфальтобетона под
воздействием транспорта, влаги и температуры.
Особое внимание уделено химическому воздействию
реагентов, которое приводит к изменению структуры битума
и минеральных компонентов, снижению прочности и
ускоренному старению покрытия.
В зависимости от количества ПГМ, интенсивности движения и
погодных условий
Тепловой
Эффективность
использования
Высокая – при
соблюдении
технологии
работ
Достоинство
Высокая плавящая
способность,
небольшая норма
расхода
Простота обработки,
Доступность, повышение
низкая стоимость
коэффициента сцепления,
материала, мгновенное возможность
повышение
многократного
коэффициента
использования
сцепления
Снижение затрат на
ликвидацию гололеда
на проезжей части за
счет введения ПГМ
в состав покрытия
Высокая плавящая
способность,
возможность
многократного
использования
Недостаток
Высокая стоимость
материала,
ограничения условий
использования (по
темпера туре,
интенсивности
движения)
Большая норма
россыпи,
использование
большого количества
распределителей,
значительный объем
заготовки ПГМ
Снижение межремонтных
сроков службы покрытия
Высокий расход
топлива
Средняя
Высокая
Высокие требования к
качеству материала,
нарушение технологии
резко ухудшает условия
движения

7.

Особое внимание уделено химическому воздействию реагентов, которое
приводит к изменению структуры битума и минеральных компонентов,
снижению прочности и ускоренному старению покрытия.
Основным противогололедным материалом, используемым в России, остается
пескосоляная смесь (смесь песка и хлорида натрия в соотношении 88:12, в
отдельных дорожных хозяйствах - 80:20). Среди других противогололедных
материалов суммарный объем применения, которых составлял до 2015 года
менее 1% от объема хлорида натрия, можно отметить следующие:
1)хлористый кальций
2)бишофит (хлористый магний)
3)АНС, НКМ, НКММ - смеси химических материалов на основе мочевины
4)мочевина
5)хлорид калия - минеральное удобрение,
Содержание раствора, воды,
Температура
замерзания,
мас. %
СаС12
MgCl2
Н2О
°С
12,10
12,1
75,80
–34
21,27
7,19
71,54
–47
20,37
6,87
72,82
–40
19,10
6,46
74,41
–27
27,69
1,99
70,32
–45
21,34
1,75
73,91
–33
11,40
11,40
77,20
–35
12,20
12,20
75,60
–35
19,20
6,40
74,40
–35
25,00
1,60
73,40
–35
12,70
12,70
64,60
–40
20,30
6,70
73,00
–40
16,40
1,70
71,90
–40
21,10
6,00
72,90
–45
27,60
1,60
70,80Температура
–45
Содержание
СаС1
2,
замерзания,
г/100 г Н2О
°С
34,6
–31
36,2
–35
37,9
–39
39,7
–44
41,6
–50
42,7
–55
Содержание спирта,
Температура
мас. %
замерзания, °С
46,3
–34
56,1
–41
72,9
–51
Содержание
Температура
глицерина, мас.
замерзания, °С
%
60,0
–35
70,0
–40

8.

В настоящее время идет поиск новых материалов с меньшей
температурой
замерзания
активностью,
токсичностью,
хлористого
натрия
и
с
раствора,
удельной
с
меньшей
коррозионной
стоимостью
относительно
потенциальным
уровнем
загрязнения
окружающей среды ниже, чем у применяемых противогололедных
реагентов.
Такими материалами считаются реагенты на основе мочевины и
нитратов кальция (АНС, НКМ и НКММ)

9.

По влиянию на бетон реагенты можно условно разделить на 2 группы.
Для первой группы, к которой принадлежат сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов независимо от катиона соли,
характерны интенсивно протекающие реакции с составляющими цементного камня и не полностью прореагировавшими
зернами цементного клинкера;
Для второй к которой относиться, например, поваренная соль, такие реакции протекают очень медленно и неполно, поэтому
используемые соли в основном диффундируют внутрь бетонных изделий

10.

1. Долговечность асфальтобетонных покрытий определяется комплексным воздействием эксплуатационных факторов, включая
механические нагрузки от транспортных средств, климатические условия и химические реагенты, используемые при зимнем
содержании дорог.
2. Влага является одним из ключевых факторов разрушения асфальтобетона. Проникая в поры покрытия, она снижает
прочность сцепления битума с минеральными заполнителями, способствует их вымыванию и ускоряет процессы старения
материала.
3. Противогололедные реагенты оказывают значительное влияние на структуру и свойства асфальтобетона. Они способствуют
усиленному водонасыщению покрытия, изменяют химический состав битума, снижая его пластичность и адгезионные
свойства, что ведет к расслоению и деструкции дорожного покрытия.
4. Различные минеральные заполнители по-разному реагируют на химическое воздействие противогололедных реагентов..
5. Дополнительным фактором разрушения покрытия является воздействие загрязняющих веществ, таких как нефтепродукты и
выбросы транспортных средств.
6. Циклы замораживания и оттаивания в сочетании с химическими реагентами значительно ускоряют разрушение покрытия,
создавая неблагоприятные условия для его эксплуатации, особенно в регионах с частыми температурными перепадами.

11.

Вторая глава посвящена изучению
химических и физико-химических
процессов, происходящих при
контакте асфальтобетона с
противогололедными реагентами.
Рассмотрены механизмы окисления
битума, влияние различных солей на
изменение его группового состава и
адгезии к минеральным
компонентам.
Также проанализированы пути
разрушения структуры покрытия под
воздействием агрессивных сред,
включая вымывание связующих
веществ и коррозионное воздействие
на минеральные наполнители.

12.

С химической точки зрения битумы представляют собой сложную смесь веществ, как низко-, так и
высокомолекулярных (мальтеновых смол, асфальтенов и карбенов), содержащих различные функциональные
группы. Перечисленные функциональные группы - реакционно-способны и активны. От их содержания и
распределения в групповом составе битума зависят важнейшие свойства битума как органического вяжущего
материала. Некоторые группы в особенности ненасыщенные углеводородом с двойными связями СН=СН
определяют склонность битумов к процессам окисления и полимеризации. Ниже приводятся наиболее
типичные примеры реакций:

13.

В таблице приведена классификация
противогололедных реагентов по механизму
воздействия на асфальтовый бетон.
Вид воздействия
Результат воздействия
1. Увеличение количества полярных групп и раство-
Вымывание легкорастворимых соединений,
римости отдельных компонентов битума
снижение адгезии битума и каменного
Типичные реагенты
Реагенты, содержащие нитраты
материала
2. Изменение группового состава органических вя-
Увеличение жесткости пленки вяжущего,
жущих
снижение трещиностойкости
3. Уменьшение краевого угла смачивания асфальтобе-
Проникновение агрессивных растворов на
тона
большую глубину
4. Совокупное воздействие нескольких признаков
Снижение основных характеристик компонен-
Реагенты, содержащие хлориды, сульфаты
Мочевина, этиленгликоль и др.
НКММ и др.
тов асфальтобетона
5. Вымывание карбоната кальция из известнякового
наполнителя
Снижение прочности асфальтобетона, разуп- Реагенты, содержащие сульфаты, нитраты
лотнение структуры, ослабевание
контактов
6. Реагенты, не вызывающие вышеперечисленных изменений
Ацетаты, формиаты, фосфаты

14.

Для дальнейших исследований были приняты следующие составы
асфальтобетонных смесей:
1) горячая плотная асфальтобетонная мелкозернистая смесь типа Б,
марки I на гранитном щебне (серия 1);
2) горячая плотная асфальтобетонная мелкозернистая смесь типа Б,
марки I на известняковом щебне (серия 2);
3) песчаная асфальтобетонная смесь типа Д, марки II (серия 3).
Проектирование составов асфальтобетонных смесей проводилось
по стандартной методике.
Подобранные составы минеральной части асфальтобетонов
соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97. Для определение
оптимального содержания битума были приготовлены смеси с
различным содержанием битума: для мелкозернистых смесей - 5,5;
6,0 и 6,5%, для песчаной смеси - 7,5; 8,0 и 8,5 %; из каждой смеси по 12 образцов для определения свойств, нормированных
стандартом.

15.

Характеристика исходных компонентов и проектирование составов
асфальтобетонных смесей и противогололедных солей,
принятых для исследования.
Показатели
Химический состав
реагентов
Химические реагенты
Хлорид натрия
Хлористый натрий
гранул диаметром более
3 мм, не менее
Содержание компонентов, %
НКММ
Нитрат кальция,
нитрат магния,
мочевина,
ингибитор
-32
Температура эвтектики,
-21,2
°С
-10 °С
-20 °С
Температура границы
применения
Гранулометрический состав, %
30
5
гранул диаметром менее
1 мм
гранул диаметром 1-3
мм, не более
Асфальтобетонные смеси
60
93
10
2
Серия 1. Горячая плотная асфальтобетонная
мелкозернистая смесь типа Б марки I на
гранитном щебне
Щебень гр.
43,2
Песок
48,6
Мин. пор.
8,2
Битум
5,7
Серия 2. Горячая плотная асфальтобетонная Щебень изв.
мелкозернистая смесь типа Б марки I на
Песок
известняковом щебне
Серия 3. Песчаная асфальтобетонная смесь
типа Д марки II
43,3
48,3
Мин. пор.
8,4
Битум
6,0
Песок
85,9
Мин. пор.
14,1
Битум
8,3

16.

Методика лабораторных исследований.
С целью объяснения процессов химического взаимодействия асфальтобетонных смесей и противогололедных
материалов серии образцов испытывали по следующим методикам:
1)стандартные физико-механические свойства определяли в соответствии с ГОСТ 12801-84;
2)коррозионная стойкость асфальтобетона оценивалась по изменениям стандартных и нестандартных свойств
асфальтобетона при комплексном воздействии попеременного замораживания-оттаивания и растворов
противогололедных реагентов.
3)процессы разрушения асфальтобетона на разделе фаз «битум - минеральная часть» рассматривались с позиций
основных законов физической химии.
В соответствии с ГОСТ 9128-84 и по методикам определялись:
1)средняя плотность асфальтобетона;
2)истинная плотность асфальтобетонной смеси;
3)остаточная пористость;
4)водонасыщение;
5)предел прочности при сжатии;
6)водостойкость;

17.

Общий срок проведения эксперимента составил около 3
месяцев.
Подготовка образцов – 7 дней
Формирование образцов асфальтобетона в лабораторных условиях.
Выдержка при стандартных условиях (температура 20 ± 2°C, влажность
60%).
Воздействие противогололедных реагентов – 30 дней
Погружение образцов в растворы реагентов с различными концентрациями.
Контроль изменений каждые 5 дней.
Циклические замораживания и оттаивания – 28 дней
Циклы проводятся в соответствии с климатическими стандартами:
Замораживание при -18°C в течение 16 часов.
Оттаивание при +20°C в течение 8 часов.
Всего проведено 28 циклов (по 1 циклу в сутки).
Испытания физико-механических характеристик – 7 дней
Определение прочности на сжатие, водопоглощения, устойчивости к
растрескиванию.
Сравнительный анализ контрольных и обработанных образцов.
Обработка и анализ результатов – 10 дней
Систематизация полученных данных.
Выявление закономерностей разрушения покрытия.
Формулирование выводов и подготовка рекомендаций.
Образцы (1–3) тип.

18.

Глава 3 Изменение физико-механических свойств асфальтобетона под действием природноклиматических факторов в присутствии противогололедных реагентов
Агресси
вная
асфальтобетон среда
Тип
а
Асфальтобетон
серии 1
Асфальтобетон
серии 2
Асфальтобетон
серии 3
Циклы
замораживания оттаивания
вода
NаС1
НКММ
вода
NаС1
НКММ
вода
NаС1
НКММ
0
50
100
1,94
1,94
1,94
2,02
2,02
2,02
1,54
1,54
1,54
2,29
2,63
2,70
3,55
4,04
4,70
2,60
2,01
2,87
2,77
2,86
4,00
4,95
5,55
6,14
3,08
2,96
3,25

19.

В третьей главе проведен анализ влияния противогололедных реагентов на состав и свойства асфальтобетонных смесей, а
также представлены результаты экспериментальных исследований. Установлено, что воздействие агрессивных
химических веществ приводит к разрушению части контактов в материале, что вызывает разуплотнение структуры
покрытия. Оставшиеся контакты становятся жестче, однако их прочность снижается, что негативно сказывается на
долговечности дорожного покрытия.
Физико-механические исследования показали, что при длительном водопоглощении и воздействии реагентов уменьшается
количество контактов в структуре асфальтобетона, а сцепление в оставшихся контактах возрастает, что приводит к
увеличению жесткости битумной пленки. В результате экспериментов подтверждено, что противогололедные реагенты
значительно ускоряют процессы разрушения асфальтобетона, особенно в условиях циклического замораживания и
оттаивания. Полученные результаты позволяют рекомендовать учет химического влияния реагентов при разработке новых
составов асфальтобетонных смесей и выборе материалов для дорожного строительства, а также необходимость
корректировки существующих норм и методик оценки устойчивости дорожных покрытий к агрессивным средам.

20.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ.
ДОКЛАД ОКОНЧЕН.