1. Введение

Долговечность асфальтобетонных покрытий в условиях эксплуатации определяется совокупностью механических, температурных и влажностных воздействий, действующих в структуре материала на протяжении всего срока службы. Несмотря на нормативное увеличение межремонтных сроков, фактическое состояние покрытий нередко характеризуется преждевременным развитием дефектов, среди которых наиболее распространены выкрашивание, шелушение, выбоины и поверхностное разрушение слоя износа. Анализ причин их возникновения показывает, что ключевую роль в инициировании данных повреждений играет водонасыщение и связанная с ним деградация межфазных связей в структуре асфальтобетона [1].

Вода, проникая в поровое пространство покрытия, изменяет напряженно-деформированное состояние материала, снижает адгезию битума к минеральному заполнителю и инициирует развитие микротрещин. При повторных циклах замораживания и оттаивания наблюдается прогрессирующее разрушение поверхностного слоя, что подтверждается экспериментальными исследованиями глубины повреждений при оценке морозостойкости асфальтобетона [2]. В условиях динамического транспортного воздействия водонасыщенная структура становится более восприимчивой к накоплению остаточных деформаций и локальному разрушению.

Современные исследования, посвященные повышению водо- и морозостойкости асфальтобетонов, преимущественно ориентированы на модификацию битумного вяжущего и введение функциональных добавок. Так, применение модифицированных битумов и полимерных компонентов позволяет повысить сопротивляемость структуры воздействию влаги и температурных колебаний [3], [4]. Аналогичные результаты получены при использовании металлизированных углеродных волокон, способствующих стабилизации структуры и повышению водостойкости материала [5]. Введение нанодисперсных добавок и углеродных нанотрубок также демонстрирует положительное влияние на физико-механические и гидрофизические характеристики асфальтобетона за счет формирования более устойчивой микроструктуры и повышения когезионной прочности битумной матрицы [6], [7].

В ряде работ отмечается влияние волокнистых и целлюлозных компонентов на повышение сдвигоустойчивости и водостойкости щебеночно-мастичных асфальтобетонов, что обусловлено стабилизацией пространственного каркаса и снижением подвижности битумной фазы [8]. Дополнительные исследования направлены на оптимизацию использования каменных материалов с целью формирования более плотной и устойчивой к водопроникновению структуры [9].

Вместе с тем анализ опубликованных исследований показывает, что большинство работ рассматривает водостойкость как интегральный показатель качества материала без детального раскрытия гидрофизического механизма деградации структуры. Между тем водонасыщение сопровождается комплексом процессов: капиллярным подсосом влаги, развитием порового давления, нарушением адгезионных связей и ускорением физико-химического старения битумного вяжущего. С позиций механики разрушения битумных систем, снижение прочности при динамическом воздействии может быть описано в рамках критериев накопления повреждений и инкубационного времени разрушения [10], что позволяет рассматривать водонасыщение как фактор, сокращающий инкубационный период и ускоряющий переход от упругого к поврежденному состоянию материала.

Таким образом, формирование дефектов асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации следует рассматривать не только как следствие внешних нагрузок, но как результат гидрофизической деградации структуры материала, протекающей на уровне межфазного взаимодействия «битум — минеральный заполнитель». Недостаточная изученность механизмов данного процесса затрудняет количественную оценку вклада водонасыщения в снижение долговечности покрытия и формирование остаточного ресурса.

В связи с этим актуальной научной задачей является выявление гидрофизических механизмов деградации структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации, установление их связи с изменением прочностных и деформационных характеристик материала и разработка подходов к количественной оценке их вклада в снижение долговечности дорожных покрытий.

2. Материалы и методы исследования

Для исследования гидрофизических механизмов деградации структуры асфальтобетона применен комплекс экспериментальных и аналитических методов, основанный на морфологическом анализе структуры материала до и после гидрофизического воздействия.

В основу исследования положена модель структурной деградации асфальтобетона, согласно которой развитие эксплуатационных повреждений связано с изменением конфигурации порово-трещинной системы материала. Количественной характеристикой данного процесса принят интегральный показатель дефектности структуры (D), определяемый как отношение суммарной площади дефектных зон к площади исследуемого участка материала по формуле 1:

[LATEX_FORMULA]D = \frac{S_{\text{деф}}}{S_{\text{участ}}}[/LATEX_FORMULA] (1)

где

Sдеф — суммарная площадь дефектных участков структуры,

Sучаст — площадь анализируемого изображения.

Для оценки изменения структуры под воздействием влаги и циклического замораживания использован коэффициент структурной деградации 2:

где

DH — дефектность исходного материала,

D0 — дефектность после n циклов воздействия.

Экспериментальные исследования выполнялись на образцах щебеночно-мастичного асфальтобетона типа ЩМА-16. В качестве исследуемых объектов использовали фрагменты материала, полученные методом резки из уплотненных асфальтобетонных образцов. Полученные спилы после шлифовки использовались для проведения морфологического анализа структуры.

Перед проведением исследований образцы доводились до водонасыщенного состояния. Определение водонасыщения выполнялось в соответствии с требованиями ГОСТ 12801.

Для моделирования эксплуатационного воздействия водонасыщенные образцы подвергались циклическому замораживанию при температуре минус 20°C с последующим оттаиванием при температуре 20°C. Число циклов воздействия составляло 5, что позволяет фиксировать раннюю стадию гидрофизической деградации структуры материала.

Изменения структуры асфальтобетона определялись методом цифрового морфологического анализа микрошлифов. Полученные изображения обрабатывались с использованием методов сегментации и бинаризации, что позволило выделить дефектные зоны структуры и определить их геометрические характеристики. Линейная дефектность структуры (3) определялась как отношение суммарной длины границ дефектных зон к площади анализируемого участка:

Сопоставление морфологических характеристик структуры до и после гидротермического воздействия позволило провести экспериментальную валидацию предложенной модели деградации асфальтобетона на ранней стадии эксплуатационного разрушения.

3. Результаты и обсуждение

В результате проведенных исследований получены данные, характеризующие изменение морфологических параметров структуры асфальтобетона после водонасыщения и циклического замораживания. Количественная оценка выполнялась на основе анализа цифровых изображений микрошлифов материала.

На рисунке 1 представлены характерные участки структуры асфальтобетона до воздействия водонасыщения и после проведения пяти циклов замораживания и оттаивания.

Анализ изображений показывает, что в исходном состоянии структура материала характеризуется относительно равномерным распределением микропор и дефектных зон. После гидротермического воздействия наблюдается увеличение размеров дефектных областей, а также формирование связанной сети микротрещин преимущественно вдоль границ раздела фаз «битум — минеральный заполнитель».

Количественные результаты морфологического анализа приведены в таблице 1.

Полученные результаты свидетельствуют о систематическом увеличении параметров дефектного пространства структуры асфальтобетона уже на ранней стадии гидрофизического воздействия.

Полученные результаты позволяют количественно оценить изменение структуры асфальтобетона под воздействием водонасыщения и циклического замораживания. Расчет коэффициента структурной деградации, выполненный на основе значений площадной дефектности, показывает увеличение дефектного пространства структуры примерно на 15% после проведения пяти циклов воздействия. Это свидетельствует о том, что даже на ранней стадии гидрофизического воздействия происходит заметная трансформация порово-трещинной системы материала.

Анализ линейной дефектности также показывает увеличение протяженности границ дефектных зон. Рост данного показателя с 6,14 до 7,04% указывает на развитие микротрещин преимущественно вдоль межфазной границы «битум — минеральный заполнитель». Именно эта зона является наиболее уязвимой при воздействии влаги, поскольку проникновение воды приводит к ослаблению адгезионных связей и снижению прочности контакта между компонентами асфальтобетона.

Увеличение количества дефектов в структуре материала свидетельствует о формировании новых микропустот и микротрещин в результате гидрофизического воздействия. При этом наблюдается постепенное усложнение конфигурации дефектного пространства и рост связности порово-трещинной системы. В дальнейшем такая структура может способствовать более интенсивному проникновению влаги и ускорять развитие макродефектов покрытия.

Сопоставление морфологических характеристик структуры до и после циклического воздействия показывает, что изменения носят системный характер и затрагивают как размеры дефектных областей, так и их пространственное распределение. На микрофотографиях после замораживания наблюдается увеличение размеров отдельных дефектных зон, их частичное объединение, а также появление дополнительных микротрещин вдоль границ минеральных зерен.

Полученные результаты подтверждают, что водонасыщение и последующее замораживание являются ключевыми факторами гидрофизической деградации асфальтобетона. Проникновение воды в поровое пространство материала приводит к перераспределению внутренних напряжений, а при переходе воды в лед происходит дополнительное объемное расширение, вызывающее локальные растягивающие напряжения в структуре материала. В результате происходит раскрытие микропустот и развитие микротрещин, что проявляется в увеличении параметров дефектности структуры.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что количественная оценка морфологических параметров структуры асфальтобетона позволяет выявлять ранние стадии гидрофизической деградации материала и может быть использована для анализа процессов формирования эксплуатационных дефектов дорожных покрытий.

4. Заключение

Проведенные исследования показали, что водонасыщение и последующее циклическое замораживание оказывают заметное влияние на структуру асфальтобетона уже на ранней стадии эксплуатационного воздействия. Морфологический анализ установил увеличение площадной дефектности структуры с 8,09 до 9,30%, что соответствует росту дефектного пространства примерно на 15%. Одновременно наблюдается увеличение линейной дефектности с 6,14 до 7,04% и рост количества дефектов с 131,6 до 142,9, что свидетельствует о развитии микротрещин и формировании новых микропустот преимущественно вдоль межфазной границы «битум — минеральный заполнитель». Полученные результаты подтверждают, что водонасыщение и циклическое замораживание инициируют развитие порово-трещинной системы асфальтобетона и могут рассматриваться как один из ключевых факторов гидрофизической деградации материала в процессе эксплуатации дорожных покрытий.

The additional file for this article can be found as follows: