ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УПЛОТНЕНИЯ НА СВЯЗНОСТЬ ПУСТОТ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЯ В ПОРИСТОЙ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ (ПА)

Важными элементами, обеспечивающими дренажные и шумоподавляющие функции пористых асфальтобетонных смесей (ПАС) являются взаимосвязанные пустоты и скелет из заполнителя. В данном исследовании анализируется влияние нагрузки при уплотнении на структуру взаимосвязанных пустот и распределение заполнителя в ПАС.

Во-первых, из изображений компьютерной томографии (КТ) с помощью цифровой обработки изображений (ЦОИ) были извлечены агрегаты и пустоты.

Во-вторых, на основе модели пористой сети (МПС) были проанализированы изменения в микроструктуре взаимосвязанных пустот под нагрузкой при уплотнении с точки зрения координационного числа пустот, угла наклона и характеристик горла.

В-третьих, была проанализирована однородность агрегатного скелета в ходе процесса уплотнения. Результаты показали, что эквивалентный радиус пустот в основном находится в диапазоне 3–6 мм, а углы наклона пустот — в диапазоне от 40° до 140°. Более 75 % горловин имели радиус в диапазоне 0–1,5 мм. При увеличении степени уплотнения, радиус горловины уменьшался. При любой степени уплотнения большинство пустот в смеси из песка и гравия находились в наклонном положении, при том, что углы наклона пустот в основном находились в диапазоне от 40° до 100°. Длина пустот указывала на то, что средняя длина отдельных пустот в основном не зависела от нагрузки при уплотнении, это свидетельствовало о том, что под нагрузкой при уплотнении взаимосвязанные пустоты либо заполнялись заполнителями и раствором, либо сливались в новую пустоту. Уплотняющая нагрузка снижала однородность каркаса из заполнителей, а при увеличении уплотнения заполнители располагались более горизонтально [1]. Пористые асфальтобетонные смеси (ПАС) как разновидность функционального асфальтобетонного материала, которые обладают дренажными свойствами и способностью снижать уровень шума, широкое применение нашли при строительстве современных городских дорог. Взаимосвязанная сеть пустот и структура заполнителя в составе ПАС являются основными носителями дренажных свойств и способности снижать уровень шума. Они также являются наиболее значимыми факторами, влияющими на дренажные свойства и способность снижать уровень шума. Однако на практике функциональность дорожных покрытий из ПАС часто не соответствует расчетному сроку службы. Помимо внешних нагрузок и температурных воздействий, наиболее важным фактором, влияющим на эксплуатационные характеристики асфальтобетонных смесей, является уплотнение. При строительстве асфальтобетонных покрытий постоянно меняются как взаимосвязанная сеть пустот, так и скелет из заполнителя. Таким образом, для повышения функциональности и долговечности асфальтобетонных смесей необходимо хорошо понимать, как уплотнение влияет на внутреннюю взаимосвязанную сеть пустот и скелет из заполнителя[3].

Относительно экспериментов в макромасштабе, то многие исследователи обычно использовали метод Маршалла, ротационное уплотнение и уплотнение катком для оценки характеристик уплотнения асфальтобетонных смесей. Каждый из методов уплотнения имеет свои особенности и применимые условия. Исследователи часто использовали механические свойства на макроуровне для оценки характеристик уплотнения асфальтобетонных смесей изготовили образцы асфальтобетонной смеси с использованием трёх методов уплотнения: уплотнения по Маршаллу, ротационного уплотнения и укатки колёсами. Они оценивали характеристики уплотнения различных фракций смеси и методов уплотнения, проанализировав однородность пустот, прочность при одноосном сжатии и остаточную стабильность по Маршаллу. Для того, чтобы решить проблему с качеством уплотнения асфальтовых покрытий, Ши и др. самостоятельно спроектировали и разработали прибор для испытания асфальтобетонных смесей на сдвиг, который позволяет оценить характеристики сдвига асфальтобетонных смесей AC-13 на разных этапах уплотнения. Для улучшения качества уплотнения горячих асфальтобетонных смесей, Макаров и др. разработал новый метод планирования траектории уплотнения, который может позволить в режиме реального времени определять степень уплотнения и температуру асфальтобетонной смеси, обеспечивая непрерывность и качество уплотнения. Шан и др. использовали технологию датчиков Smart Rock для изучения динамического взаимодействия между частицами заполнителя и стальным катком вибропресса, установив взаимосвязь между уплотнением дорожного покрытия и максимальным ускорением. Кумар и др.  изучили взаимосвязь между гранулометрическим составом, добавками, температурой уплотнения, а также плотностью и эксплуатационными характеристиками асфальтобетонных смесей.

Можно выделить, что большинство исследований сосредоточено на оценке эффективности уплотнения асфальтобетонных смесей с использованием различных методов уплотнения или макромеханических испытаний. Однако, поскольку асфальтобетонная смесь представляет собой композитный материал, состоящий из заполнителя, вяжущего и пустот, эффективность её уплотнения и эксплуатационные характеристики тесно связаны с её внутренним структурным составом. Исследования, основанные исключительно на макроскопическом подходе, часто имеют феноменологические ограничения.

За последнее время исследователи стали использовать ПЗС-камеры для изучения изменений микроструктуры асфальтобетонных смесей в двухмерном пространстве. Син и др. использовали метод цифровой корреляции изображений (Digital Image Correlation, DIC) для анализа распределения заполнителей в зонах разрушения асфальтобетонных смесей с разной градацией. Результаты показали, что по мере увеличения нагрузки доля основных заполнителей в зонах с высокой деформацией уменьшалась, а доля заполнителей, препятствующих деформации, увеличивалась. Ши и др.использовали ПЗС-камеры и технологию DIP для изучения характеристик движения заполнителей в процессе постоянной деформации асфальтобетонных смесей. Кутук-Серт и др., чтобы выявить механизмы действия наноколеманита и наноулексита в асфальтобетонных смесях с теплой смесью, разработали систему погружения для наблюдения за эффектом адгезии между заполнителями и асфальтом. Исследователи обнаружили, что разработанная система наблюдения за погружением может эффективно выявлять механизмы действия этих двух добавок в теплых асфальтобетонных смесях. Использование изображений срезов асфальтобетонной смеси в качестве объектов исследования и применение технологии DIP для изучения микроструктурных изменений асфальтобетонных смесей стало основным методом исследования. Этот метод обладает такими преимуществами, как низкие затраты на эксперимент и удобство. Тем не менее, во многих исследованиях исследователи часто используют изображения поперечных сечений образца, чтобы заменить весь образец для анализа. Фактически, как композиционный материал с трехмерной каркасной структурой, изучение микроструктуры асфальтобетонных смесей с двумерной точки зрения несет в себе элемент случайности [2].

После постоянного совершенствования промышленного оборудования, в исследования асфальтобетонных смесей стали внедрять промышленную компьютерную томографию. Как метод неразрушающего контроля, компьютерная томография обладает уникальными преимуществами при изучении микроструктуры асфальтобетонных смесей. Гонг и др. использовали компьютерную томографию и методы воксельного анализа для определения микроструктуры асфальтобетонных смесей на разных уровнях. Взаимосвязь между микроструктурой и макроскопическими свойствами асфальтобетонных смесей была установлена с помощью методов непрямого растяжения, одноосного сжатия и цифровой микроскопии. Лю и др. использовали компьютерную томографию и технологию 3D-реконструкции для изучения изменений в структуре микропустот в процессе самовосстановления асфальтобетонных смесей со стальным шлаком [2].

Результаты показали, что функция самовосстановления асфальтобетонной смеси со стальным шлаком в основном достигается за счёт уменьшения среднего координационного числа пустот и количества горловин. Ли и др. пометили частицы заполнителя железной проволокой и отследили движение помеченных заполнителей в процессе уплотнения с помощью компьютерной томографии. Было выявлено, что угол поворота заполнителей быстро меняется на ранней стадии уплотнения. Ли и др., используя образцы, уплотнённые при разном количестве оборотов, исследовали с помощью компьютерной томографии, как работа по уплотнению влияет на распределение заполнителей, связность мастики и пустотную сеть в асфальтобетонных смесях, а также проанализировали их взаимосвязь с эксплуатационными характеристиками асфальтобетонных покрытий. Чжао и др. использовали технологию компьютерной томографии для изучения связности и однородности пустот в полиакрилонитрильных смесях и обнаружили, что не все связные пустоты участвуют в процессе перколяции. Ван и др. классифицировали пустоты в полиакрилонитрильных смесях на связные, полусвязные и замкнутые в зависимости от их связи с внешней средой и проанализировали топологические характеристики пустот разных типов. Также, можно было заметить, что большинство исследований, посвящённых характеристикам пустот в полимерных смесях, сосредоточены на описании морфологии пустот и их содержания, а количественная характеристика связности пустот в полимерных смесях изучена недостаточно [1].

Метод дискретных элементов (МДЕ), который используется для расчёта объёмных характеристик сыпучих материалов, нашел применение при моделировании и расчёте асфальтобетонных смесей. Кусумавардани и др. создали модель уплотнения асфальтобетонных смесей методом дискретных элементов и проанализировали влияние заполнителей различной формы на эффективность уплотнения асфальтобетонных смесей. Исследование показало, что заполнители кубической формы способствуют повышению прочности каркаса асфальтобетонных смесей. Ли и др. применяли метод дискретных элементов для моделирования двух методов уплотнения асфальтобетонных смесей: уплотнения по Маршаллу и ротационного уплотнения. Они провели анализ влияние нагрузки и метода уплотнения на движение и контакт заполнителей и выяснили, что на траектории движения заполнителей влияют как их исходное положение, так и метод уплотнения. Аль-Хатиб и др. смоделировали лабораторное и полевое уплотнение асфальтобетонных смесей с помощью программного обеспечения EDEM и протестировали образцы, уплотнённые ротационным методом, с помощью компьютерной томографии. Результаты показали, что образцы для вращательного уплотнения более точно отражают процесс уплотнения асфальтобетонных смесей в полевых условиях. Они также проанализировали влияние температуры на процесс уплотнения и обнаружили, что при понижении температуры требуемое усилие для уплотнения значительно возрастает [2].

Нужно отметить, что исследователи в первую очередь изучают поведение асфальтобетонных смесей при уплотнении с помощью механических испытаний и различных микроскопических структурных методов.

Что касается функциональных асфальтобетонных смесей, то на данный момент проведено очень мало исследований внутренней структуры пустот и скелета из заполнителей в процессе уплотнения. Структура пустот и распределение заполнителей важны для дренажных свойств и прочности скелета асфальтобетонных смесей. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования микроструктуры асфальтобетонных смесей в процессе уплотнения.

В первую очередь, на дренажные и шумоподавляющие свойства асфальтобетонных смесей влияют внутренние взаимосвязанные пустоты и скелет из заполнителя. Основная цель этого исследования — изучить изменения во взаимосвязанных пустотах и распределении заполнителя в асфальтобетонных смесях в процессе уплотнения, чтобы получить рекомендации по микроструктурному исследованию и уплотнению асфальтобетонных смесей. Главное содержание исследования заключается в следующем:

• (1) Трёхмерная взаимосвязанная структура пустот и агрегатный скелет асфальтобетонных смесей в процессе уплотнения были получены с помощью компьютерной томографии и технологии DIP.
• (2) Благодаря модели пустотной сети была проанализирована эволюция трёхмерных взаимосвязанных пустот в асфальтобетонных смесях под нагрузкой при уплотнении.
• (3) Был проведен анализ однородности и пространственного распределения заполнителей в процессе уплотнения.