Kā rodas uzpūtumi asfaltā?
Ūdens fizikālās īpašības Ūdens molekulām ir iekšēja kovalenta saiste un ārēji divi elektriski plus poli un viens mīnus pols, kuri veido ūdeņraža saites starp molekulām. Molekulu saites pārtrūkst un atkal atjaunojas ūdenī. Tas dod molekulām iespējas atrasties arī struktūras atstarpēs. Ledū struktūras atstarpēs nav molekulu, tādēļ ledus struktūrai ir par 9% lielāks tilpums. No āra ieplūstošā enerģija ar fotoniem un ekscitētajiem atomiem trāpa pa ūdens molekulāro struktūru, kura tad vibrē. Lietojot termovibrācijas un polāros spēkus, H2O molekulas iespiežas starp joniem un izraisa struktūras briešanu. Daudzas ūdens molekulas var apņemt jonus un tos šķīdināt, piemēram, Na+Cl– jonus. Struktūrā bez elektriskiem lādiņiem ūdens molekulas nespiežas iekšā starp atomiem, jo tās aiztur molekulu ūdeņraža saite. Ūdens kapilārā sūkšana Virsmu samirkšanu ietekmē tas, vai virsma ir elektriski polāra vai nav. Elektriski polārā joniskā struktūrā ūdens molekulas spēj "rāpties" uz augšu, lietojot molekulu vibrācijas, izveidojot kārtas pēc kārtām. Tās kopīgi velk citas ūdens molekulas sev līdzi – tā rodās kapilārā sūkšana. Gravitācija ietekmē sūkšanu. Struktūrā bez elektriskiem poliem ūdens «nevēlas» iespiesties kapilāros, bet var tikt iespiests ar virsspiedienu. Ūdens iekšējā molekulārā saturība kavē iespiešanos. Mitruma līdzsvars starp gaisu un ūdeni Starp brīva ūdens (ledus) virsmu un apkārtnējo gaisu ir mitruma līdzsvars; slēgtas telpas gaisā radīsies mitruma piesātinājums. Enerģijas iedarbība uz ūdens molekulām (iestarojoši fotoni, saskriešanās ar citiem atomiem ar augstāku enerģijas līmeni) rada nevienādu sadali termālām vibrācijām. Molekulas ar stiprākām vibrācijām izgaro apkārtējā gaisā. Temperatūrai pieaugot, vibrācijas palielinās, vairāk molekulu izgaro, un piesātinājuma spiediens ceļas. Ja ūdens tvaika molekulu gaisā kļūst pārāk daudz, polārie spēki sāk turēt tās kopā un kondensē. Pamazām iestājas līdzsvars starp tvaika molekulām ūdenī un gaisā. Zināms laiks nepieciešams, lai atjaunotu izjauktu līdzsvaru. Ja gaisā neizkļūs pietiekami daudz ūdens molekulu, piesātinājuma spiediens netiks sasniegts; to apzīmē ar relatīvo tvaika spiedienu. Gaisā vibrējošās molekulas "atsitas" cita pret citu un rada gaisa spiedienu. Poru izveide ir noteicoša sorbcijas izotermai, ko ietekmē temperatūra. Ūdenī izšķīdināti sāļu joni satur un kavē ūdens molekulas izlauzties no šķīduma, kas rada zemāku piesātinājuma spiedienu. Piesātināta tvaika spiediens cieši zem ūdens blīvas kārtas virs betona tiltiem: •Tvaika spiediens pie 0o C – 0,0006 MPa •Tvaika spiediens pie 20o C – 0,0023 MPa •Tvaika spiediens pie 40o C – 0,0074 MPa •Tvaika spiediens pie 60o C – 0,0199 MPa (2 tonnas/m2) •Tvaika spiediens pie 80o C – 0,0473 MPa (4,7 tonnas/m2) •Tvaika spiediens pie 100o C – 0,1013 MPa (10 tonnas/m2) Pietiek ar defektu līmētā virsmā vai ar poru betonā, lai atkārtots tvaika spiediena pieaugums paplašinātu to. 70–80 oC ir iespējamā temperatūra zem blīvas kārtas saules sildītai tilta virsmai. Asfalta segkārta kļūst mīksta un šļūdē, tvaika spiedienam pieaugot. Ne tikai tvaiks vien dod spiediena pieaugumu. Arī gaiss ekspandē un palielina spiedienu. Gāzu spiediens jāatslogo – gāzēm jābūt iespējai izplūst ārā, lai izvairītos no uzpūtumiem. Mitrums pārvietojas ar * difūziju no vietām ar lielu ūdens molekulu skaitu uz vietām ar mazāku. No augsta tvaika spiediena uz zemāku. Parasti no vietām ar augstāku temperatūru uz vietām ar zemāku; * kapilāro sūkšanu. Noteicoša ir kapilāru struktūra – "diametrs" – un tas, vai kapilāru sienām ir elektriski lādiņi. Ietekmē gravitācija; * konvekciju. Gaisa spiediena atšķirības izlīdzinās un nes līdzi saturētu tvaiku; * ūdens spiedienu. Spiediens liek ūdenim plūst no vietām ar augstāku spiedienu uz vietām ar zemāku. Mitruma plūsmas aprēķinos lieto gada normālās temperatūras un gaisa mitruma variācijas. Aprēķins ar normālām vērtībām neņem vērā straujas temepratūras maiņas, piemēram, kad aukstam periodam seko pēkšņs atkusnis. Uz strauji atdzisušas konstrukcijas virsmas var kondensēties ūdens, kas nosedz visu betona tiltu, arī zem plātnes. Ūdens iesūksies betona kapilāros. Aprēķins neievēro arī, ka tilta virsmai ilgāku laiku var būt zemāka temperatūra nekā tilta betona plātnes apakšai (siltāka ūdens straume zem tilta) – tad ūdens tvaiks difundē virzienā uz blīvo kārtu tvaika spiediena atšķirības dēļ un var radīt mitruma koncentrāciju zem blīvās kārtas. Variācijas tātad var ietekmēt. Betona tehnoloģija un betona tehnika Betons satur akmeņus un granti (parasti granīta), cementu (parasti portlandcementu), ūdeni (dzeramo), gaisu un piedevas. Betona īpašības galvenokārt nosaka porainība un poru tips, tās ir ietekmējamas. Granīta akmeņiem gandrīz nav poru. Cementa pastas stiprība un izturība atkarīga no poru daudzuma un veidojuma. Slikta vibrēšana atstāj kompresijas poras. Kontrakcijas poras rodas, kad cements reaģē ar ūdeni, jo hidratācijas produktu tilpums ir mazāks nekā cementam + ūdenim. Pie ūdens/cementa (water/cement jeb W/C) attiecības W/C ≈0,4 viss ūdens izmantots reakcijai ar cementu. Ja W/C >0,4, pāri palikušais ūdens rada poras, jo ūdens izgaro. Ja W/C <0,4, pāri paliek nereaģējis cements, kas vēlāk reaģēs ar difundējošu ūdens tvaiku. Gela poras ir principā iztrūkstoši atomi un tās vēl nevar ietekmēt. Cementa partikulas ir jonisks materiāls. Elektriski lādiņi ar atšķirīgu polaritāti koncentrējas partikulu stūros. Līdz ar to partikulas flokulē ūdenī, kad pretēji elektriski lādiņi orientējas viens pret otru, 3. attēls. Rodas ietilpīga struktūra, kas nespēj uzpildīties ar hidratācijas produktiem. Cementa pasta kļūst poraina – ar zemāku stiprību un vides izturību, jo lielāka virsma pieejama vides ietekmei. Ar mikrosilikāta piedevu var uzpildīt kapilārās poras un samazināt betona porainību. Līdz ar to pieaug stiprība. Gaisa piedevas vielas ķēdes molekulām galā ir elektrisks lādiņš un aste bez lādiņiem, pie kuras elektriski lādētās ūdens molekulas nesaistās. Tāpēc svaigā betonā ap molekulu ķēdēm veidojas gaisa poras un sacietējušā betonā tās piepildās tikai ar iespiestu ūdeni. Spiediens rodas no pakāpeniski salstoša ūdens/ledus tilpuma palielinājuma. Kad spiediens mazinās, ūdens atstāj poras. Gaisa poru ietekmi svaiga betona maisījumā var pielīdzināt lodīšu gultņiem; tās dara betona konsistenci šķidrāku. Maisot betonu, superplasticētāja piedevas ķēdes molekulas apņem cementa partikulas un saskaņo savus elektriskos polus ar partikulu pretējiem poliem. Intensīva maisīšana nepieciešama, lai aptītu cementa partikulas ar superplasticētāja molekulām, kuras tad rada partikulām līdzīgu elektrisku lādiņu uz āru. Cementa partikulas ar līdzīgu elektrisko lādiņu repelē cita citu, bet ietekme ir tikai mazā attālumā. Rezultātā cementa partikulas var nokļūt tuvāk cita citai nekā flokulētā struktūrā, tas samazina cementa pastas porainību. Repelējošie spēki veicina to, ka maisot berze starp partikulām mazinās un pasta viegli plūst. Betonu blīvē ar vibrācijām, kuras pumpē ūdeni starp cementa partikulām un cementa pastu starp akmens un grants graudiem. Cementa partikulas un akmens un grants graudi tiek atšķirti un peld uz šķīdumu, kurš presējas starp tām. Betons sāk tecēt un aizpilda veidni. Gaisa poras (blīvējamās poras) slēdzas betonā, un gaiss plūst augšā caur betonu. Apmēram 2% gaisa tilpuma paliek betonā. Cementa pastas kapilārā poru sistēma veidojas šajā fāzē. Pašblīvējošā betonā akmeņiem un grantij jāpeld cementa pastā, kas sastāv no smalkas smilts un mikrosmilts, cementa, superplasticētāja, gaisa burbulīšiem un ūdens. Akmeņi un grants ar to pašu blīvumu, kāds ir cementa pastai, neatdalās. Tik daudz cementa pasta veido ≈50%, tai jāsatur smalka smilts ≈40%, mikrosmilts un cements + ūdens ≈60%, tā ka akmeņi un grants graudi nebloķē plūsmi. Pasta nedrīkst saturēt tikai cementu un ūdeni. Tā jākomplektē ar mikrosmilti. Tikai cements dotu lielu rukumu un lielu stiprumu, ko mazinātu rukuma plaisas. Tas būtu arī grūti blīvējams, jo ātri cietētu. Izejviela mikrosmiltīm var būt kaļķakmens jeb pat granīts. Šķiedras var iejaukt. Kad betons sāk reaģēt ar ūdeni, rodas siltums. Reakcijas siltums žāvē betonu. Ūdens izgaro no kapilārajām porām un pārāk maz ūdens paliek pilnīgai cementa un ūdens reakcijai. Kur bijis izgarojušais ūdens, paliek poras, kas samazina betona stiprību un vides izturību. Lai veicinātu pilnīgu reakcijas norisi, betons jālaista ar ūdeni cietēšanas fāzē. Slapja betona virsma liedz ūdenim izgarot no porām. Ūdens tad paliks betonā un varēs reaģēt ar cementu. Jo mazāk poru betonā, jo stiprāks, blīvāks un videi izturīgāks betons. Liela W/C attiecība nozīmē, ka ir par daudz ūdens, kurš izgarojot atstāj poras. Betoni ar W/C <0,4 ir grūti lejami. Bieži W/C palielina, lai gūtu labākas liešanas īpašības, bet rezultāts ir poras. Jālieto tik daudz ūdens, ka betonu iespējams labi sablīvēt. Tātad mazāk ūdens maisījumā nozīmē mazāk poru. Betona lejamību var ietekmēt ar piedevām, piemēram, superplasticētāju. Cementa partikulas ūdenī flokulē un rada poras. Ar mikrosilikātu aizpilda poras. Ar superplasticētāju novērsta flokulācija nozīmē, ka cementa partikulu repelējošie spēki, kas ir iedarbīgi mazā distancē, pieļauj blīvāku struktūru, mazina berzi starp partikulām un palielina betona plūsmi. Kad betons sastingst, tas jālaista ar ūdeni, lai reakciju ar cementu pilnveidotu. Maz porainā betonā ūdens kustība ir traucēta. Pārmaiņas mitruma daudzumā betonā notiek lēnāk. Blīvāks (mazāk porains) betons kļūst stiprāks un pret vides ietekmi izturīgāks un necaurlaidīgāks. Pēdējais faktors nozīmīgs uzpūtumiem, jo gāzes spiediena atslogošana zem blīvā seguma ir apgrūtināta. Uzpūtumi asfaltā zem blīvas seguma kārtas Uzpūtums rodas, kad mazā kontaktvirsmas dobumiņā ieslēgta gāze izplešas pieaugošas temperatūras dēļ. Ja nav dobuma, nebūs arī uzpūtuma. Cēlonis uzpūtumam var rasties, ja uzlikta izolējošā mastikas membrāna, kad temperatūra ir ~200 oC, vai arī vēlāk; tas nav atkarīgs no ūdens tvaika vien. Gāze betona porās izplešas un vietām sabojā saisti. Ūdens tvaika spiedienu regulē varbūtējs brīvs ūdens vai relatīvais mitrums un temperatūra. Uzpūtumi rodas tur, kur līmējumam ir defekti vai kur betonā ir poras. Transportlīdzekļu bremzes spēki var radīt defektus līmes kārtā, kuri vēlāk var būt par cēloni uzpūtumiem. Betona porās gāzes izplešas, kad temperatūra paaugstinās, un mazliet paceļ blīvo membrānu. Deformācija rodas, saulei sildot tilta asfalta segumu. Sasildīts asfalta segums kļūst mīkstāks un vieglāk deformējams. Deformācija ir plastiska un radītais uzpūtums paliek. Uzpūtums vēl vairāk pildās ar gaisu – ūdens tvaiku. Pie nākamā deformācijas cikla uzpūtums pieaug un tā tālāk. Sērs asfaltā var ietekmēt betonu un sabojāt batona saisti ar membrānu un līdz ar to radīt cēloni uzpūtumiem. Novērojumi, kā betona tilta konstrukcija ietekmē ūdens kustību tajā Vecāku tiltu betoniem ir lielāka W/C attiecība, kas nozīmē poraināku betonu un līdz ar to atvieglotu ūdens kustību caur betonu. Liels tvaika spiediens zem blīvās membrānas var tikt atslogots. Konstrukcijas, kuru izmēri pārsniedz 500 mm, rada lielāku pretestību ūdens kustībai nekā plānākas, un pieaugošais gāzes spiediens zem blīvās membrānas netiek laicīgi atslogots caur poru sistēmu. Mūsdienu betoniem ir daudz dažādu piedevu, lai palielinātu stiprību un vides izturību, taču tās samazina porainību un apgrūtina ūdens un tvaika kustību. Šīm konstrukcijām gāzes spiediens zem blīvās membrānas netiek atslogots pietiekami ātri.
