Асфальтобетон — искусственный строительный материал, полученный в результате смешения и уплотнения, подобранной в необходимых соотношениях и специально приготовленной смеси (асфальтобетонной смеси (АБС)) минерального материала (щебня, песка, минерального порошка) и битума.

Сцепление битума с поверхностью минеральных материалов в водной среде является свойством, определяющим водоустойчивость асфальтобетонов и долговечность асфальтобетонных покрытий.

В строго научном толковании это свойство битума попадает под понятие адгезии.

Широко известен факт разрушения дорог под воздействием воды, это происходит в следствии недостаточно прочной химической связи (сцепления или адгезии) на границе раздела фаз битум-каменный материал, основной характеристики на пути получения эффективного асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги.

Материалы на основе битумов в процессе работы в дорожной одежде подвергаются воздействию жидких сред, главным образом воды. В результате образуется система, когда на поверхности каменного материала распределена пленка битума, окруженная водой. В такой пленке всегда имеются слабые зоны, неоднородности, очаги минеральной поверхности, не покрытой битумом, через которые вода проникает к зоне контакта битума.

В дорожном покрытии это происходит в периоды больших осадков осенью или при таянии снега и льда весной, а в регионах с жарким и влажным климатом во время обильных осадков летом.

Для чего нужна адгезионная добавка?

Для улучшения адгезии битума к минеральной поверхности, в него на технологи ческой стадии подготовки к использованию вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Принцип действия адгезионной добавки

По специфике химического состава битум характеризуется достаточно низкой полярностью, в то время как вода имеет чрезвычайно высокую полярность. Битумы, в особенности сорта с высоким показателем кислотности, проявляют тенденцию к приобретению незначительного отрицательного заряда. Поэтому проблема слабой адгезии характерна, в основном, при применении кислых (отрицательно заряженных) каменных материалов.

Адгезионные добавки представляют собой молекулы поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Поверхностно-активные вещества – это углеводороды, при растворении малого количества которых в жидкости ее поверхностное натяжение сильно снижается. В случае асфальтобетона – поверхностное натяжение возникает на границе раздела фаз между битумом и поверхностью каменных материалов.

Особенностью поверхностно-активных веществ является несимметричность строения их молекул. Одна часть молекулы представлена углеводородным радикалом, вторая – полярной группой, которая имеет дипольный момент и достаточно большое силовое поле.

По заряду полярной группы ионогенные ПАВ могут быть анионными и катионными.

• Анионные ПАВ несут отрицательный заряд(«-»). В качестве анионных ПАВ используют соли щелочных металлов карбоновых кислот, получаемых из животных жиров или растительных масел.
• Катионные ПАВ имеют положительный заряд(«+»), создаваемый наличием в них атома азота.
• Существуют Амфотерные ПАВ, содержащие, как правило, два заряда, проявление заряда таких веществ зависит от рН раствора.

Не стоит забывать, что каменный материал может быть кислого типа (при тенденции к отрицательному заряду поверхности) или щелочного типа (при тенденции к положительному заряду поверхности). К кислым каменным материалам относятся материалы с высоким содержанием кремния, а щелочные каменные материалы содержат карбонаты.

На диаграмме показано содержание окисленного кремния SiO₂ в некоторых из наиболее распространенных типов каменного материала.

При смачивании битумом поверхности каменных материалов молекулы ПАВ ориентируются полярной функциональной группой к поверхности минерального материала, а радикалы — к пленке битума. При этом происходит взаимодействие электрических зарядов противоположного знака, что способствует сцеплению битума с каменным материалом.

Схема прилипания поверхности битума с ПАВ к поверхности каменного материала:

а — прилипание пленки битума с ПАВ катионного типа к поверхности кислого каменного материала; б — прилипание пленки битума с ПАВ анионного типа к поверхности основного каменного материала; 1 — битум; 2 — молекулы ПАВ катионного типа; 3 — каменный материал из кислых горных пород (кварцевый песок, гранит); 4 — молекулы ПАВ анионного типа; 5 — каменный материал из основных (карбонатных) горных пород (известняк, доломит).

Наиболее характерными представителями анионактивных веществ являются мыла карбоновых кислот, катионактивных — соли ароматических и алифатических аминов.

Положительно заряженные (гидрофильные) головные группы катионного поверхностно-активного вещества прочно прикрепляются к отрицательно заряженным участкам на поверхности каменного материала, в то время как гидрофобные углеводородные «хвостовые части» молекул закрепляются в битуме.

В работах исследователей методично подчеркивается, что поверхность каменных материалов, используемых для дорожного строительства, мозаична, т.е. имеет участки несущие как положительный заряд так и отрицательный. Желательно выбирать такие ПАВ, которые в дальнейшем химически взаимодействуют со всей поверхностью каменного материала (хемосорбционная адгезия), что обеспечивает длительную водостойкость пленки битума.

Поскольку некоторые ПАВ могут значительно ухудшить свои свойства под воздействием повышенных температур при нагреве битума, нагревать битум с ПАВ следует строго в соответствии с нормативными документами.

Избыток ПАВ в битуме или его недостаточное количество ухудшает адгезионные свойства битума. Поэтому добавки ПАВ вводят в битум также строго нормировано.