close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

336.Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия на модифицированных битумах

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
А. В. Руденский, Ю. И. Калгин
ДОРОЖНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ
НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИТУМАХ
Учебное пособие
Допущено УМО вузов РФ по образованию
в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности
«Автомобильные дороги и аэродромы»
направления подготовки «Транспортное строительство»
Воронеж 2009
УДК 625.855.3
Р83
Рецензенты:
кафедра автомобильных дорог
Ростовского государственного строительного университета;
А.П. Степушин, д.т.н., проф. Московского автомобильно-дорожного института
(государственного технического университета)
Р83
Руденский, А. В.
Дорожные асфальтобетонные покрытия на модифицированных битумах : учеб.
пособие / А. В. Руденский, Ю. И. Калгин. ; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. — Воронеж, 2009. — 143 с.
ISBN 978-5-89040-226-4
Учебное пособие содержит сведения о нефтяных дорожных битумах и дорожных асфальтобетонах, необходимые для подготовки инженеров, специализирующихся по строительству автомобильных дорог, мостов и аэродромов. Приводится подробная характеристика способов модификации дорожных битумов и асфальтобетонов с целью повышения их
качества. Рассматриваются структура битумов, их основные свойства, влияющие на эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий; различные способы повышения их качества путем введения полимеров класса термоэластопластов, синтетических каучуков, резиносодержащих добавок. Приводится анализ работы асфальтобетона в дорожном
покрытии с учетом изменения основных характеристик материала в течение срока его службы. Рассматриваются основные закономерности накопления дефектов асфальтобетонных
покрытий в течение срока службы с учетом эксплуатационно-климатических условий.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
Ил. 20. Табл. 42. Библиогр.: 78 назв.
УДК 625.855.3
ISBN 978-5-89040-226-4
© Руденский А.В.,
Калгин Ю.И., 2009
© Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................... 4
Введение ...................................................................................................................... 5
Глава 1. Повышение качества битумных вяжущих .............................................. 10
1.1. Общие сведения о битумах. Состав и структура нефтяных битумов ............ 10
1.2. Модифицированные нефтяные дорожные битумы.
Влияние модификаторов на структурообразование и свойства битумов.............. 25
1.2.1. Технические решения, направленные на улучшение качества
дорожных битумов. Понятие о модифицированных битумах ...................................... 25
1.2.2. Нефтяные дорожные битумы, модифицированные полимерами ....................... 26
1.2.3. Нефтяные дорожные битумы, модифицированные
поверхностно-активными добавками .............................................................................. 35
1.2.4. Резинобитумные вяжущие, полученные совмещением
нефтяных битумов и резиновой крошки......................................................................... 37
1.2.5. Отечественный опыт производства и применения
резинобитумных вяжущих ............................................................................................... 42
Глава 2. Структура и свойства асфальтобетона
и пути повышения его качества ............................................................................... 46
2.1. Область применения, классификация и свойства асфальтобетона.
Модификация дорожного горячего асфальтобетона ................................................ 46
Глава 3. Реологические свойства горячего и холодного асфальтобетона.......... 80
3.1. Теоретические основы анализа деформационного поведения
асфальтобетонов ........................................................................................................... 80
3.2. Закономерности развития деформаций в асфальтобетонах
под действием нагрузок ................................................................................................. 86
3.3. Анализ закономерностей изменения прочностных характеристик
асфальтобетонов при различных режимах нагружения........................................... 90
Глава 4. Влияние эксплуатационно-климатических условий
на физико-механические свойства асфальтобетона.
Моделирование воздействия на асфальтобетон внешних факторов.
Испытание асфальтобетона на усталость ............................................................... 97
4.1. Анализ влияния климатических и эксплуатационных условий
на работу асфальтобетона в дорожных покрытиях ................................................ 97
4.2. Деформативные и прочностные свойства асфальтобетонов ........................103
4.3. Прочностные свойства асфальтобетонов ........................................................111
4.4. Специфические особенности работы
асфальтобетонных покрытий как конструкций
с нестационарными эксплуатационными характеристиками ...............................122
Заключение ............................................................................................................. 137
Библиографический список ................................................................................ 138
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие имеет целью улучшить подготовку студентов, обучающихся по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».
Оно углубляет освоение курсов «Физико-химические основы дорожных
материалов», «Технология и организация строительства автомобильных дорог»
(раздел «Дорожные одежды») путем расширения знаний о методах повышения
качества горячего и холодного асфальтобетона различными модифицирующими добавками, а также ознакомления с областью и условиями применения модифицированных битумов для повышения эксплуатационных свойств дорожных асфальтобетонных покрытий.
Материал третьей и четвертой глав учебного пособия, будет полезен магистрам и аспирантам, специализирующимся по проблемам повышения долговечности дорожных покрытий и качества асфальтобетона.
Учебное пособие также рекомендуется для инженерно-технических работников дорожных организаций и слушателей системы повышения квалификации, обучающихся по направлению 270200 «Транспортное строительство».
4
ВВЕДЕНИЕ
Качество дорожных битумов является основополагающим фактором в
решении проблемы увеличения срока службы асфальтобетонных покрытий. В
мировой практике дорожного строительства прочно утвердилось мнение, что
радикальным способом повышения качества битумов является их модификация
полимерами. Применение модифицированных битумов относится к одной из
наиболее стремительно развивающихся технологий строительства и ремонта
дорожных покрытий.
К битумоминеральным материалам относятся искусственные строительные конгломераты, где в качестве вяжущего используются нефтяные битумы
(как самостоятельно, так и в составе композиции с различными связующими).
Асфальтобетоны являются наиболее широко используемой в дорожном строительстве разновидностью битумоминеральных материалов, к которым также
относятся влажные органоминеральные смеси с применением жидких битумов
и комплексных вяжущих, различные виды эмульсионно-минеральных смесей
и т. д. В зависимости от технологии приготовления битумоминеральных материалов, применяемых исходных материалов и используемого оборудования получаемые разновидности смесей могут значительно отличаться друг от друга.
Но при этом они продолжают оставаться подобными друг другу, т. к. они характеризуются действием общих закономерностей при приготовлении, твердении и получаемой структуре материала. Наиболее распространенным битумоминеральным материалом является асфальтовый бетон — строительный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной рационально подобранной смеси, состоящей из асфальтового вяжущего вещества на основе битума
и минерального порошка, крупного заполнителя щебня/гравия (или без него),
песка, а также различных добавок (или без них). При отсутствии в асфальтобетонной смеси крупного заполнителя — щебня или гравия, получаемый битумоминеральный материал именуется песчаным асфальтобетоном. В зависимости
от температуры приготовления и укладки различают:
- горячие асфальтобетоны, получаемые на основе вязких дорожных битумов
при температуре 145…155 °С и укладываемые при температуре не ниже +120 °С;
- холодные, получаемые на основе жидких дорожных битумов при температуре 105…120 °С и укладываемые при температуре не ниже +5 °С.
Асфальтобетон приобретает необходимые физико-механические свойства
лишь после надлежащего уплотнения. По технологическому признаку укладки
и уплотнения асфальтобетонной смеси асфальтобетоны могут быть жесткими,
пластичными и литыми. Для уплотнения жестких и пластичных асфальтобетонных смесей используют тяжелые, средние и легкие катки. Литые асфальтовые смеси, как правило, не требуют уплотнения, а в случае необходимости используют специальные валики, легкие катки.
Асфальтобетон представляет собой один из наиболее сложных строительных материалов. Эта сложность обусловлена большой зависимостью
свойств асфальтобетона от физико-химических процессов, происходящих при
5
приготовлении асфальтобетонных смесей, их укладки и уплотнения в покрытии, а также последующей эксплуатации. Отвердевшие в дорожных покрытиях
различные виды асфальтобетона характеризуются индивидуальной структурой
и свойствами, которые зависят от его состава, свойств исходных материалов,
среди которых определяющая роль отводится битумному вяжущему.
«Структура» — это термин, происходящий от латинского слова structura,
обозначающего строение, расположение, порядок. Применительно к композиционным строительным материалам под структурой понимают совокупность
устойчивых связей, обеспечивающих их целостность и тождественность самим
себе, т. е. сохраняющих индивидуальные свойства при различных воздействиях
на материал.
Зависимость свойств битумоминеральных материалов от структуры и
свойств нефтяных битумов установлена многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных учёных [2, 3, 6, 7, 8, 11, 29, 39, 42, 45, 68, 72]. В указанных работах битумоминеральный материал рассматривается как гетерогенная
дисперсная система с преимущественно коагуляционными связями, где зерна
твердой фазы (минерального остова) соединяют ориентированные пленки битума и все свойства которой определяются её структурой. Впервые представление
о структуре асфальтобетона было дано в работах П. В. Сахарова. Им предложено
рассматривать асфальтобетон как материал, состоящий из двух частей — минерального остова и асфальтового вяжущего вещества, образованного, в свою очередь, из битума и минерального порошка. Позднее структуру асфальтобетона
стали рассматривать как трехкомпонентную систему, состоящую из микроструктуры (асфальтового вяжущего вещества), мезоструктуры (асфальтового раствора, образованного из смеси песка и асфальтовяжущего вещества) и макроструктуры (щебеня и асфальтового раствора). Разделение структуры асфальтобетона
на отдельные компоненты увязывается с влиянием отдельных элементарных
структур на свойства асфальтобетона и их ролью в обеспечении его качества.
Макроструктура асфальтобетона определяется количественным соотношением, взаимным расположением и крупностью зерен щебня, связанных в
монолитную структуру асфальтовым раствором, состоящим из песка и асфальтового вяжущего [2, 3]. Структурообразущая роль щебня заключается в формировании пространственного каркаса асфальтобетона, обеспечивающего прочность и сдвигоустойчивость дорожного асфальтобетонного покрытия. При незначительном содержании щебня (до 30—35 %) в минеральной части асфальтобетона, свойства последнего определяются свойствами асфальтового раствора,
т. к. зерна щебня как бы плавают в растворной части асфальтобетона. Такой
минеральный остов называют бескаркасным. Размер, свойства поверхности,
форма зерен щебня в бескаркасном остове незначительно влияют на свойства
асфальтобетона. Увеличение содержания щебня в минеральной части до 40 %
приводит к формированию отдельных контактов между зернами через тонкие
пленки ориентированного битума. При этом формируется минеральный остов
асфальтобетона, зерна щебня в котором частично раздвинуты преобладающей
частью асфальтового раствора. Такой минеральный остов называется полукаркасным. Увеличение содержания щебня до 50 % и более формирует в асфаль6
тобетоне пространственный каркас, в котором крупные минеральные зерна
контактируют друг с другом непосредственно или через тонкие прослойки асфальтового вяжущего. В указанном каркасном минеральном остове пустоты заполнены асфальтовым раствором, который не может раздвинуть минеральные
зерна ни своим размером, ни объемом. Дальнейшее увеличение количества
щебня (более 65 %) приводит к формированию структуры, в которой объём
пустот в каркасе превышает содержание асфальтового раствора, что приводит к
получению асфальтобетона с большой пористостью и пониженной прочностью.
Мезоструктуру асфальтобетона формируют зерна песка при их объединении с асфальтовяжущем веществом. При этом прочность системы снижается,
что связано с повышением неоднородности смеси и появлением свободного,
неструктурированного битума. Однако наполнение системы зернами песка положительно влияет на плотность и деформативность асфальтобетона [2, 3].
Микроструктура асфальтобетона отражает количественное соотношение и
характер взаимодействия битума и самой активной минеральной составляющей
смеси — минерального порошка [2, 19]. При малом количестве минерального
порошка в асфальтовом вяжущем веществе степень структурированности битума
незначительная. В этом случае частицы минерального порошка с образующимися на них ориентированными слоями битума не взаимодействуют между собой и
прочность микроструктуры незначительна. С увеличением содержания минерального порошка расстояние между отдельными частицами становится меньше
и при его оптимальном содержании битумные пленки на минеральных зернах
полностью находятся в ориентированном состоянии. Прочность микроструктуры
при этом максимальная. При увеличении количества минерального порошка
выше оптимального в асфальтовом вяжущем резко увеличивается число пор, битума не хватает для обволакивания минеральных зерен, что приводит к резкому
сокращению прочности микроструктуры. Таким образом, определение оптимального соотношения битума и минерального порошка является основной задачей в формировании микроструктуры асфальтобетона. Поскольку асфальтобетон является полиструктурным материалом, его получение с заданными структурой и свойствами возможно путем установления оптимального соотношения
между микро-, мезо- и макроструктурой асфальтобетона. Тесная связь между
структурой и свойствами асфальтобетона, наиболее распространенного битумоминерального материала, установлена в работах академика П. А. Ребиндера и его
школы [55, 56], в которых асфальтобетон рассматривается как система с коагуляционной структурой и ярко выраженными вязко-пластическими свойствами.
Н. В. Михайлов и Л. Б. Гезенцвей [2, 19] также относят асфальтобетон к коагуляционным структурам, связь между частицами которой обеспечивается битумными пленками, адсорбированными на поверхности минерального материала, и
свободным битумом, находящемся в асфальтобетоне в неструктурированном состоянии, т. е. под понятием «структура асфальтового бетона» следует понимать
характер связей и взаимное расположение минеральных частиц разных размеров,
соединенных пленками покрывающего их битума, и степень заполнения битумом промежутков между минеральными зернами.
7
В настоящее время многие вопросы, относящиеся к формированию
структуры асфальтобетона, достаточно изучены. Так, наиболее значительная
роль в формировании структуры асфальтобетона отводится физикохимическим свойствам вяжущего, виду и количеству минерального порошка в
микроструктуре, т. к. свойства асфальтового вяжущего в значительной мере
определяют свойства всей системы в целом. Суммарная удельная поверхность
минерального порошка в составе минеральной части асфальтобетонной смеси
достигает 90 %. Благодаря большой площади поверхности минеральный порошок увеличивает количество контактов между минеральной частью асфальтобетонной смеси и битумом, что позволяет увеличить сцепление частиц в асфальтобетоне, а следовательно, и его прочность.
Асфальтовый бетон относят к твердым телам, отличительной чертой которых является наличие собственной формы, определенного объема и высокого
сопротивления их изменению под воздействием внешних сил. Это физическое
состояние асфальтобетона наиболее значительно зависит от температуры и
продолжительности действия внешних сил. Сопротивление внешним силам с
повышением температуры или увеличением продолжительности их действия
резко снижается, что приводит к значительным необратимым деформациям.
Асфальтобетон в зависимости от температуры может проявлять себя в нескольких структурных состояниях [2, 19]:
- вязко-пластичном, когда при повышенных температурах минеральные
зерна соединены текучими прослойками битумных пленок и даже небольшие
по величине напряжения приводят к деформированию материала;
- упруго-пластичном, когда минеральные частицы соединены битумными пленками, которые при малых напряжениях проявляют упруго-эластические
свойства, а при больших напряжениях — упруго-вязкие;
- упруго-хрупком, при котором минеральные частицы фиксированы
стекловидными битумными пленками.
При обычной температуре (20…25 °С) в асфальтобетоне проявляются упруго-эластические и упруго-вязкие свойства, при повышенных температурах вязко-пластические, а при отрицательных температурах асфальтобетон становится упруго-хрупким телом.
В практических целях механическую прочность асфальтобетона характеризуют пределом прочности при сжатии стандартных образцов, испытанных на
одноосное сжатие при температурах 20, 50, 0 °С и скорости приложения нагрузки, равной 3 мм/мин. При температуре 20 °С прочность при сжатии асфальтобетона обычно составляет 2,0—3,0 МПа, а при растяжении в 5—8 раз меньше, с понижением температуры предел прочности при сжатии сильно возрастает — до 15—25 МПа при -20 °С, а при повышенных температурах значительно
снижается — до 1,0—1,5 МПа при +50 °С.
Вышеуказанные показатели предела прочности при сжатии свидетельствуют о значительной зависимости механических свойств асфальтобетона от
температуры. Наилучшим комплексом механических свойств (повышенной
прочностью при высоких температурах и пониженной хрупкостью при отрицательных температурах) обладают асфальтобетоны оптимальной структуры.
8
Получению битумоминеральных материалов с оптимальной структурой
способствует выполнение определенных закономерностей, показывающих
связь между структурными параметрами и физико-механическими и эксплуатационными свойствами материала. Получение оптимальной структуры асфальтобетона зависит от состава и качественных показателей исходных материалов,
технологии приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей.
Традиционно получение оптимальной структуры и наилучших свойств
асфальтобетона шло главным образом по пути соответствующего подбора компонентов минеральной части и, в частности, гранулометрического состава асфальтобетонной смеси и качественных показателей минеральных материалов.
В последние годы наибольшее внимание уделяется выбору вяжущих материалов, характеризующихся хорошими физико-механическими свойствами, высокой устойчивостью к старению, улучшенным взаимодействием с минеральной
частью асфальтобетонной смеси. Особенность современных исследований в
области получения оптимальной структуры и наилучших свойств асфальтобетона состоит в стремлении к получению материала с повышенной долговечностью и высокими эксплуатационными свойствами.
Опыт эксплуатации автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями в Российской Федерации показывает, что реальные сроки службы дорожных
конструкций нередко ниже нормативных. Снижение сроков службы приводит к
ухудшению транспортно-эксплуатационного состояния дорожной сети в целом, а
также требует ежегодного увеличения финансирования объемов ремонтных работ.
Повышение долговечности асфальтобетонных покрытий в настоящее время является одной из наиболее важных и актуальных задач дорожной отрасли.
Известно, что разрушение асфальтобетона под действием многократных
нагрузок обусловлено процессами усталости, т.е. образованием и накоплением
микродефектов с постепенным снижением прочности во времени. В современных условиях высокоскоростного интенсивного движения транспортных
средств для объективной оценки усталостной долговечности материалов конструктивных слоев дорожной одежды необходимо переходить на новые методы
их испытания, соответствующие по условиям нагружения реальному воздействию транспортного потока.
Отличительной особенностью асфальтобетонных покрытий является значительное изменение их характеристик в течение срока службы вследствие
влияния климатических факторов, процессов усталости и старения. Эта особенность асфальтобетона требует углубленного анализа его деформационного
поведения при различных режимах действия климатических условий и транспортных нагрузок. Отсутствие в российских стандартах методов определения
усталостной прочности и требований к ней для асфальтобетонных смесей при
многократном нагружении исключает возможность целенаправленного подбора
состава асфальтобетона повышенной усталостной прочности, приводит к ошибочным решениям при выборе типа асфальтобетона, а также при обосновании
целесообразности использования модифицирующих добавок.
9
ГЛАВА 1
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИТУМАХ.
СОСТАВ И СТРУКТУРА НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
Битумы представляют собой органические вещества черного или темнобурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов—
нафтенового (Сn Н2n), ароматического (Сn Н2n-6) и метановых (Сn Н2n+2) рядов, а
также их производных, различающихся по молекулярной массе и характеру
растворимости в селективных растворителях. В состав углеводородных соединений битумов обычно входят также кислород, азот, сера, железо, никель и т. д.
Молекулярная масса молекул битумов составляет 300—5000. Битумы растворяются в бензоле, толуоле, ксилоле, хлороформе и некоторых других органических растворителях. Истинная плотность битумов составляет около 1 г/см3.
Элементный состав битумов (% по массе): углерода— 80—85; водорода
8—12,5; кислорода— 0,2—4; серы —0,5—10; азота— 0,2—0,4. Содержание некоторых металлов в асфальтовых концентратах нефти (например, арланской)
составляет (% по массе): V — 0,22; Ni — 0,115; Fe — 0,110; Са — 0,054 и т. д.
Средняя молекулярная масса битумов не превышает 700—800 к. е.
Основная часть молекул битума состоит из 25—150 атомов углерода.
Способность атомов углерода образовывать цепи, кольца, сложные решетки, в
которые входят другие химические элементы — кислород, азот, сера, обусловливает существование соединений с различными, резко отличающимися свойствами. Поэтому для битумов принято различать групповой состав,
т. е. содержание различных групп углеводородов. Химический состав и строение компонентов битума определяют его структурные характеристики, а следовательно, и его эксплуатационное поведение.
В настоящее время принято считать, что основными компонентами битума являются масла, смолы (нейтральные и кислые), асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, карбены и карбоиды, парафины [6, 27, 42, 58, 61].
Разделение битума на отдельные группы соединений, близких по строению и
свойствам, основано на неодинаковой растворимости их в органических растворителях (бензоле, сероуглероде и др.), а также различной избирательной адсорбируемости, например на силикагеле или др. адсорбентах. Указанные группы углеводородов отличаются строением и физико-химическими свойствами и
поэтому оказывают различное влияние на свойства битума. Содержание этих
компонентов различно, мас. %: масел — 40…60; карбенов и карбоидов — 1…3;
смол — 20…40; асфальтогеновых кислот и их ангидридов — около 1; асфальтенов — 10…25 [27, 42]. Указанные компоненты обладают определенными физико-химическими свойствами, которые оказывают влияние на реологические,
физико-механические, эксплуатационные характеристики и долговечность би10
тумов, а также органических вяжущих веществ на их основе. Рассмотрим свойства основных компонентов подробнее.
Асфальтены — твердые и неплавкие вещества с плотностью 1,01—
1,24 г/см3 и молекулярной массой 900—6000. Температура разложения асфальтенов — 175….240 °С, отношение С : Н = 0,78—0,94 (атомное). Растворимость
асфальтенов в парафиновых углеводородах очень плохая, в циклопарафиновых
углеводородах (нафтеновых) частичная. Они растворимы в бензоле, сероуглероде и четыреххлористом углероде.
Асфальтены являются наиболее высокомолекулярными соединениями
нефти, в которых имеются кислород, сера, азотсодержащие соединения и металлические комплексы — порфирины. Элементный состав асфальтенов (% по
массе): углерода — 80—89; водорода — 7—8,5; серы — 1—8,5; азота — 1—3;
кислорода — 3—5. По растворимости в разных растворителях асфальтены могут быть разделены на ряд фракций. Асфальтены полидисперсны как по массе,
так и по структуре и элементному составу молекул (высокомолекулярные синтетические вещества — полимеры — полидисперсны только по массе).
Асфальтены повышают вязкость, твердость, теплоустойчивость битума.
При нормальной температуре асфальтены являются твердыми, неплавящимися,
хрупкими веществами. Они имеют несовершенную кристаллоподобную структуру. Часть веществ в них находится в аморфном состоянии, другая часть —
закристаллизованные вещества [53]. Структура асфальтенов представляется в
виде упорядоченных агрегатов типа плоских листов радиусом 8,5…15,0 Å и
толщиной 16…20 Å. Эти листы обладают повышенной полярностью и поэтому
способны адсорбировать полярные вещества [6].
Наиболее вероятная структура агрегата плоского листа — 12…14 конденсированных колец с чередующимися алифатическими боковыми цепями и атомами кислорода или серы в этих цепях и кольцах [27]. Кислород, сера, азот незначительно изменяют структуру асфальтенов, но увеличивают разнообразие
структурных элементов. Под действием ультрафиолетовых лучей асфальтены
становятся нерастворимыми в бензоле, переходя при этом в карбены.
Асфальтены с относительно невысокой молекулярной массой (900—
2000) имеют компактную систему в основном из гетероциклических гибридных
колец, тогда как более высокомолекулярные (2000—6000) содержат многокольчатые гетероциклические системы, соединенные между собой алифатическими мостиками, и имеют короткие боковые алифатические цепи. Рентгеноструктурным анализом показано, что структура асфальтенов характеризуется хорошо организованными полициклическими системами — двухмерными дискообразными слоями (гроздьями), имеющими диаметр 0,0005—0,0015мкм.
Полиядерные пластины ассоциируются в кристаллоподобные образования (пачки) толщиной 0,0012—0,002 мкм, состоящие из пяти-шести слоев. Расстояние между слоями — 0,00035—0,00037 мкм. Расстояние между звеньями в
насыщенных структурах — 0,0055—0,0006 мкм. В асфальтеновых веществах
концентрируются свободные радикалы, которые являются одним из факторов,
11
определяющих склонность асфальтенов к ассоциации. Наличие свободных радикалов обусловлено тем, что в асфальтенах сосредоточено больше всего конденсированных ароматических структур, которые дают явления парамагнетизма. Это приводит к значительному межмолекулярному взаимодействию, способствующему образованию надмолекулярных структур, выявляемых рентгеноструктурным анализом.
Концентрация парамагнитных частиц в значительной степени зависит от
величины молекулярной массы асфальтенов, их степени ароматичности, способа выделения.
В зависимости от химической природы нефти и способа переработки сырья в битум структурные элементы молекул асфальтенов могут несколько различаться. В частности, может варьировать количественное соотношение ароматических, циклопарафиновых и гетероциклических структур в молекуле, так же
как могут различаться их размеры, а следовательно, и молекулярные массы.
Асфальтены большинства битумов представляют собой при нормальной
температуре твердые тела. Рентгеноструктурным анализом асфальтенов установлено, что они имеют несовершенную кристаллоподобную структуру. Повидимому, часть веществ, составляющих группу асфальтенов, является аморфными, другая часть представляет собой кристаллоподобные вещества. Считают,
что молекула асфальтенов имеет форму эллипсоида, большая ось которого составляет 0,0097—0,0106 мкм, а малая ось 0,0011—0,0018 мкм, их поверхностное натяжение — 25,0—31,2 дин/см.
Из некоторых нефтей, содержащих значительное количество парафиновых и циклопарафиновых углеводородов, выделяются асфальтены мазеподобной тягучей консистенции. Эти асфальтены после осаждения изооктаном из
бензольного раствора битума плохо поддаются фильтрации. Битумы, содержащие такие асфальтены, обладают большей пластичностью.
Введение в молекулы асфальтенов алкильных радикалов (алкилирование)
позволяет значительно улучшить их пластичность, а следовательно, и пластичность битумов при низких температурах, их устойчивость к воздействию атмосферных факторов.
В высокомолекулярную часть асфальтенов входят порфирины — комплексные соединения металлов, состоящие из сложных внутрикомплексных
циклических структур с включением атомов азота. Наиболее изучены порфириновые комплексы ванадия и никеля. Обнаружены также порфириновые комплексы урана и меди. Порфириновые комплексы металлов играют значительную
роль в структурообразовании и погодоустойчивости битумов. Пластичность и
растворимость асфальтенов являются одним из основных свойств, непосредственно связанных с их химической структурой, которые определяют в значительной мере эксплуатационные характеристики битумов. Лучшими пластификаторами и растворителями асфальтенов служат ароматические и гетероциклические
соединения. Пластифицирующее действие оказывают фракции смол. В составе
битумов могут находиться вещества, нерастворимые в CS2 и называемые кар12
боидами. Примерный химический состав карбоидов (% по массе): С — 74,25;
Н — 5,13; S — 8,16; N — 1,10; О — 10,86; золы — 0,50; С: Н = 14,5; число омыления — 124; кислотное число — 4.
Кроме карбоидов, в битумах могут присутствовать также карбены — вещества, растворимые в сероуглероде, но не растворимые в четыреххлористом
углероде. Карбены и карбоиды по свойствам близки к асфальтенам, но имеют
большую плотность и более темный цвет. Карбены и карбоиды — высокоуглеродистые продукты обработки нефти и ее остатков. Их содержание в битумах
колеблется от 1 до 3 %. По составу карбены похожи на асфальтены, но содержат больше углерода. Они не растворимы в бензоле и растворяются только в
сероуглероде. Карбоиды — твердые вещества типа сажи, не растворимые в органических растворителях [6, 27, 61]. С увеличением содержания карбенов и
карбоидов увеличивается хрупкость битума.
Мальтены представляют часть битума, растворимую в низкокипящих
предельных углеводородах. Основные свойства мальтенов: средняя молекулярная масса — 400—800 к. е., плотность — 0,9—0,98 г/см3; отношение С: Н =
= 0,63 ~ 0,74 (атомное); вязкость при 50 оС = 100 Па∙с. Растворяющая способность
в отношении асфальтенов: при большом содержании ароматических углеводородов — хорошая, при большом содержании парафиновых углеводородов —
плохая, при большом содержании циклопарафиновых углеводородов (нафтеновых) — посредственная. Мальтеновая часть битумов состоит из смол и масел.
Смолы состоят из углеводородов циклического и гетероциклического
строения с молекулярной массой 600—1000 и плотностью примерно 1 г/см3. Выделяют смолы растворением в бензине, бензоле и хлороформе. Смолы содержат
значительное количество полярных сернистых, азотистых и кислородных производных, что придаёт им повышенную поверхностную активность. Их присутствие придает также битуму водоустойчивость, растяжимость и эластичность.
Смолы битумов имеют основными структурными элементами конденсированные циклические системы, в состав которых входят ароматические, циклопарафиновые и гетероциклические соединения. Эти системы соединены между собой короткими алифатическими мостиками и имеют несколько алифатических — реже циклических — заместителей. Молекулярные массы смол в
среднем варьируют от 500 до 2000. Обычно более низкие молекулярные массы
(457—520) имеют бензольные смолы. В строении их преобладают ароматические кольца и короткие боковые алифатические цепи. Смолы спиртобензольные отличаются более высокими молекулярными массами (946—2000). Они
содержат, помимо конденсированных циклов, больше алифатических мостиков
и заместителей, чем бензольные смолы.
Структурные элементы смол соединены между собой сравнительно короткими алифатическими мостиками и содержат в кольце один или несколько
алифатических заместителей. Принято разделять смолы на нейтральные смолы
и асфальтогеновые кислоты. Длина молекул смол составляет 76,4…83,0 Å, поперечный размер — 12,7…15,6 Å.
13
Нейтральные смолы плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне, но
хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, образуя
истинные растворы. При нагреве и под воздействием кислот легко подвергаются химическим превращениям, уплотняются и превращаются в асфальтены.
Некоторые авторы разделяют смолы на две группы по растворимости в феноле. Смолы, растворимые в феноле, отличаются меньшими молекулярными массами, более высокой плотностью и высоким содержанием серы, кислорода, азота,
более низким содержанием водорода (аналогично бензольным смолам). Смолы,
нерастворимые в феноле, имеют более высокие молекулярные массы, меньшую
плотность, меньшее содержание серы, азота, кислорода (аналогично спиртобензольным смолам), большее содержание водорода. Они обладают свойствами депрессаторов, т. е. веществ, понижающих температуры затвердевания, что объясняется присутствием длинных боковых цепей, характерных для депрессаторов.
Смолы имеют разную консистенцию — от тягучей липкой массы до
твердых аморфных хрупких тел. Имеется предположение, что смолы, нерастворимые в феноле, являются пластификаторами асфальтенов. Длина молекул
смол составляет 0,00764—0,00831 мкм, поперечный размер — 0,00127—
0,00156 мкм, а поверхностное натяжение — 25,0—31,2 дин/см. Элементный состав смол (% по массе): С — 80—85; Н — 9— 11; S — 0,7—1,4; N — 0,6—1,4;
О — 3—4. В смолах, так же как и в асфальтенах, содержится некоторое количество порфириновых комплексов.
По элементному химическому составу и строению молекул смолы близки
к асфальтенам и отличаются от них несколько большим содержанием водорода,
следовательно, более низким отношением С: Н и меньшим суммарным содержанием атомов S, N, О и металлов. Смолы — вещества, окрашенные в темный
цвет (от светло- до темно-коричневого, почти черного), плотность их около
1 г/см3 (0,99—1,08). Они являются смесью многочисленных и разнообразных
по химическому строению высокомолекулярных соединений нефтяного происхождения, которые легко изменяются под действием таких факторов, как нагревание или окисление. Под влиянием окислителей и адсорбентов смолы уплотняются с образованием асфальтенов.
Существенное отличие смол от асфальтенов заключается в их растворимости и молекулярно-массовом распределении. Смолы растворимы во всех
углеводородах нефти, сами являются растворителями (пластификаторами) асфальтенов и той средой, которая обеспечивает переход от полярной части
нефти (асфальтенов) к неполярной (масла). Смолы служат в известной степени
стабилизаторами, предотвращающими флоккуляцию асфальтенов; они облегчают растворение асфальтенов в углеводородных растворителях. В то же время смолы и асфальтены представляют непрерывный ряд разнообразных трудноразделимых высокомолекулярных соединений гибридного строения. Провести четкую границу между смолами и асфальтенами весьма трудно. Смолы
так же, как и асфальтены, полидисперсны по массе, элементному составу и
структуре молекул.
14
Асфальтены и смолы являются основными структурообразующими компонентами битумов как наиболее полярные соединения, содержащие в молекулах гетероатомы, такие как кислород, азот, серу, а также внутрикомплексные
соединения металлов в виде порфиринов и им подобных веществ.
Кислородсодержащие соединения асфальтенов и смол включают в основном четыре основные функциональные группы — гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и сложноэфирные. В окисленных битумах преобладают
сложноэфирные группы, а в неокисленных — остаточных или природных битумах — большая часть кислорода содержится в виде гидроксильных и карбонильных групп.
Битумы могут содержать незначительные количества асфальтогеновых
кислот и их ангидридов, в которых сконцентрированы основная масса сернистых, кислородных, а в большинстве случаев и азотистых соединений (до 2 %).
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды имеют плотность более 1 г/см3. Это
вещества коричнево-серого цвета, густой смолистой консистенции, легко растворимые в этиловом спирте или хлороформе и трудно в бензине.
Асфальтогеновые кислоты, являясь наиболее полярными компонентами
битума, способствуют лучшему прилипанию его к поверхности минеральных
материалов. О присутствии этих веществ в битуме судят по кислотному числу
(0,5—1 мг КОН) и числу омыления (10—30 мг КОН).
Асфальтогеновые кислоты способствуют высокой адгезии битумов к минеральным материалам. Эти вещества являются наиболее поверхностноактивной частью битума. Асфальтогеновые кислоты отличаются от нейтральных смол не только кислотными свойствами, но и лучшей растворимостью в
органических растворителях. Их молекулы содержат несколько гидроксильных
и карбоксильных групп. Общее число асфальтогеновых кислот в битумах не
превышает 3 %. Их количество оценивают по кислотному числу
(0,5…1,0 мг×КОН) и числу омыления [6,27,61].
Особая роль в битумах принадлежит полярным соединениям, содержащим гетероатомы кислорода, азота и серы, а также комплексные соединения
металлов в виде порфиринов. Гетероатомы сконцентрированы в основном в асфальтено-смолистой части и образуют активные функциональные группы: СООН, ОН, NН2, SН, SO3Н. Азот входит в состав производных гетероциклических
структур типа пиридина, пиррола, хинолина и т. д., относящихся к гетероциклическим структурам. Сера, как правило, присутствует в виде сульфидных мостиков, в циклической структуре сульфогрупп.
Масла представляют собой углеводородную фракцию битумов и содержат сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматических рядов несложного строения с молекулярной массой 300—600 и средней
плотностью 0,911—0,923 г/см3. Это жидкости высокой вязкости, содержащие
углеводороды, оказывающие растворяющее действие в отношении асфальтенов
(циклические — в основном ароматические и в меньшей степени циклопарафины), и углеводороды, не являющиеся растворителями и даже осадителями ас-
15
фальтенов (в основном парафинового, циклопарафинового и гибридного строения с преобладанием боковых алкильных цепей). Масла так же, как асфальтены
и смолы, полидисперсны, но в значительно меньшей степени. В составе масел
могут присутствовать углеводороды, которые при понижении температуры
иногда выделяются в виде кристаллов. Содержание серы—до 4 %, а концентрации кислорода и азота незначительны. В маслах может также присутствовать
весьма незначительное количество гетероциклических соединений. Элементный состав масел: 75—85 % С; 15 % Н. Степень ароматичности, характеризуемая отношением С/Н, составляет для различных групп масел от 0,55…0,66 до
0,63 …. 0,72.
В маслах содержатся углеводороды парафинового ряда с 20—70 атомами
углерода в молекуле и молекулярными массами 300—600, циклопарафины с
20—35 атомами углерода с боковыми заместителями и молекулярными массами 450—650, вещества ароматического ряда с боковыми парафиновыми (алифатическими) или циклопарафиновыми заместителями и молекулярными массами 450—620. Масла придают битуму подвижность, увеличивают испаряемость, снижают температуру размягчения. Также масла оказывают значительное влияние на растворимость асфальтенов и реологические свойства битумов.
Выделяют масла растворением их в петролейном эфире или легком бензине.
Парафины — это твердые метановые углеводороды. Парафины снижают
растяжимость битума, а некоторые их разновидности повышают хрупкость битума. Парафиновые углеводороды являются неактивными растворителями,
иногда даже осадителями или флоккулирующими веществами, они практически
неполярны, изменяются под действием тепла, кислорода воздуха и ультрафиолетовых лучей. Увеличение содержания парафиновых углеводородов в мальтеновой части битумов ухудшает растворимость и набухание асфальтенов, что
ведет к нарушению однородности битума. Наиболее высокомолекулярные парафиновые углеводороды имеют тенденцию при понижении температуры выкристаллизовываться на поверхности пленки битума и понижать прилипаемость последней к поверхности каменных материалов. С другой стороны, асфальтены битумов могут играть роль центров кристаллизации парафиновых углеводородов; последние образуют частицы, препятствующие ассоциации
(сближению) макромолекул. Этим можно объяснить неоднородность битумов,
содержащих значительные количества парафиновых углеводородов. Опыты показали, что если нанести богатый парафинистыми составляющими битум на
поверхность каменного материала или положить на поверхность такого битума
пористую (фильтровальную) бумагу, то через определенный промежуток времени пористый материал или бумага впитывают в себя некоторые составляющие битума. Эти составляющие являются углеводородами парафинового ряда.
Такие опыты показывают, что парафиновые углеводороды легче всего отделяются от составляющих битума.
Ароматические углеводороды являются весьма активными растворителями
для макромолекул асфальтенов, обладают определенной полярностью и большой
16
устойчивостью к воздействию тепла, кислорода и ультрафиолетовых лучей. Увеличение содержания ароматических углеводородов в битумах обусловливает
лучшее прилипание битумов к поверхности каменных материалов, большую стабильность битума при нагревании и воздействии атмосферных факторов.
Нафтеновые углеводороды по свойствам близки к парафиновым углеводородам, однако шестичленные нафтеновые углеводороды легко могут превращаться в ароматические, теряя шесть атомов водорода. Нафтеновые углеводороды при окислении образуют смолы.
Гетероциклические и гибридного старения углеводороды по свойствам
приближаются к ароматическим, и увеличение содержания их в составе битумов желательно. Гетероциклические углеводороды (особенно содержащие в
молекуле атомы серы и азота) значительно более полярны, чем ароматические,
но менее стабильны при нагревании, окислении и других воздействиях.
Как видно из вышеизложенного, битумы полидисперсны, они состоят из
сложной смеси множества индивидуальных соединений (веществ). Для таких
материалов или отдельных их фракций определяют средние значения молекулярных масс. Обычно находят средние числовые и средние массовые значения
молекулярных масс. Средняя числовая величина молекулярной массы
Мn =
ån M
ån
i
i
,
(1.1)
i
где ni — число молекул, имеющих молекулярную массу Mi.
Средняя массовая величина молекулярной массы Wt — масса фракций с
молекулярной массой Мw.
Для монодисперсного материала Мп = Mw, где Mw —средняя величина молекулярной массы. При полидисперсности Мп < Mw, поскольку Mw растет с увеличением полидисперсности.
Чем сильнее различаются молекулярные массы отдельных молекул, тем
больше будет отношение Mw /Мп, которое называют показателем, или коэффициентом полидисперсности. Данные исследования распределения молекулярных масс асфальтенов и мальтенов, выделенных из дорожных битумов с глубиной проникания 90 при 25 °С, полученные с применением хроматографии на
геле полистирола, приведены на рис. 1.1 и 1.2. Определяли средние массовые,
средние числовые значения молекулярных масс отдельных фракций битумов и
коэффициент их полидисперсности. Эти данные получены также для битума,
подвергавшегося нагреванию при 160 °С в течение 5 ч в тонкой пленке для
оценки стабильности при тепловом старении.
При подготовке битумов к смешению с минеральными материалами при
производстве дорожных смесей, затем при смешении, укладке и уплотнении
битумы подвергаются воздействию температур от 90 до 160 °С. Продолжительность этого воздействия при подготовке битума может достигать нескольких
часов, если значительные запасы битума хранят на строительстве и нет регулярной подачи битума непосредственно с битумной установки.
17
Рис. 1.1. Распределение молекулярных масс асфальтенов дорожных битумов:
1 — при содержании асфальтенов в битуме 11,6 %; 2 — при содержании асфальтенов
в битуме 26,8 %. Цифры на кривых означают молекулярные массы асфальтенов
Рис. 1.2. Распределение молекулярных масс асфальтенов тех же битумов:
1 — при содержании асфальтенов в битуме 11,6 %;
2 — при содержании асфальтенов в битуме 26,8 %
Процесс дозировки и смешения продолжается всего несколько минут, затем массу транспортируют на место производства работ (иногда на расстояние
более 30 км), что занимает 0,5—1 ч; укладка и уплотнение также длятся в течение 0,5—1 ч. В это время происходят необратимые изменения битума (старение), сопровождающиеся изменением химического состава, структуры и физико-механических свойств. В битумах увеличивается содержание асфальтенов,
но несколько снижается количество смол и масляных компонентов. При пере18
греве битума образуются карбены и карбоиды. Качество битума ухудшается,
температуры размягчения и хрупкости повышаются, увеличивается вязкость,
он становится менее пластичным. Это первый этап, во время которого старение
обусловлено нагревом и взаимодействием с частицами минерального материала. В процессе эксплуатации происходит второй этап старения, обусловленный
воздействием атмосферных (перепадом температур, солнечной радиацией, воздействием кислорода воздуха, воды и др.) и эксплуатационных (усталостью от
динамических нагрузок) факторов.
При исследовании окисляемости отдельных компонентов битума под действием кислорода при атмосферном давлении и температуре 204 °С установлено,
что асфальтены в большей степени подвержены окислению, а масла достаточно
устойчивы при данной температуре. После окисления асфальтенов в течение 3 ч
они содержат большое количество (до 96 %) карбоидов. Если окислению подвергать не отдельные компоненты битума, а сам битум, то образование значительного количества карбоидов не происходит. Это показывает, что асфальтены легко окисляются, когда они не защищены мальтенами. Температура значительно
повышает склонность к окислению. Продолжительность окисления оказывает
влияние на состав продуктов реакции. При продолжительном окислении проходят вторичные реакции, усложняющие процесс окисления.
После воздействия света на тонкие пленки битума он становится нерастворимым в бензоле и хлороформе. При испытаниях на старение в естественных и искусственных условиях был сделан вывод, что в этих условиях все битумы ведут себя примерно одинаково и что в том и в другом случае образуется
некоторое количество водорастворимых продуктов — кислот и кетонов. Свет и
тепло без доступа кислорода или тепло и кислород без доступа света не вызывают образования водорастворимых веществ, т. е. отсюда можно сделать вывод, что водорастворимые вещества образуются при фотохимическом окислении некоторых компонентов битумов. Исследования, проводимые
А. В. Руденским по изучению влияния искусственного солнечного света на дорожные битумы, проводились на образцах-пленках толщиной 10—15 мкм (на
стеклянных пластинках) без доступа воздуха при температуре в среднем 82 °С.
Вязкость битумов определялась до и после 24-часовой экспозиции. Отношение
вязкости битумов, подвергавшихся экспозиции, к вязкости исходных битумов,
измеренной при скорости сдвига 5—10-2 с-1, изменялось от 1,5 до 8,3, причем 7
из 11 битумов имели это отношение от 2 до 3. Скорость окисления битума выше в присутствии света, чем без него, и реакции, проходящие при этом, различны. Окисление на свету вызывается главным образом ультрафиолетовой радиацией, и этот эффект распространяется на глубину около 4мкм, а твердение в
темноте — на глубину до 3мм. Интенсивность изменения свойств битумов под
действием ультрафиолетовых лучей зависит от природы битума и от условий
облучения (количество энергии, температура). При воздействии ультрафиолетовых лучей увеличивается содержание в битуме водорастворимых веществ.
Физико-химические свойства битумов при периодическом увлажнении изме-
19
няются несколько больше, чем без увлажнения. Считают, что короткие видимые волны могут действовать в большей степени разрушающе на битум, чем
ультрафиолетовые. Отраженный солнечный свет (поляризованный), даже такой, как лунный, ускоряет разрушение органических веществ, в том числе и битумов. Добавка 5 % высокомолекулярных кислот (олеиновой, монтановой, лауриновой, стеариновой) или соответствующих спиртов может предотвратить изменение свойств битума под действием солнечного света.
Указанные исследования показали, что ванадиевые комплексы являются
катализаторами фотоокислительных процессов. Содержание ванадия в битуме
может характеризовать его погодоустойчивость.
Исследовано изменение вязкости битума после нагревания в тонкой
пленке при 163 °С в течение 75 мин и после старения в естественных условиях
в течение 3 лет (коэффициент корреляции 0,84). Для сравнения дано изменение
вязкости после 00 ч и 100ч испытания в аппарате искусственной погоды и после 3 лет в естественных условиях, а также изменение вязкости после 3 лет в
естественных условиях и содержания ванадия в битуме (коэффициент корреляции 0,75). Коэффициент корреляции при определении изменения вязкости нагревом в тонкой пленке и содержанием ванадия составляет 0,81. Как видно из
рис. 1.1 и 1.2, хорошую характеристику старения битумов получают при испытаниях в аппарате искусственной погоды (длительность испытания не менее
100 ч). По содержанию ванадия в битуме можно быстро определить его склонность к старению методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.
В настоящее время существует несколько основных направлений в исследовании и направленном регулировании свойств битумов. Несмотря на различную трактовку строения битума и наиболее перспективных путей регулирования его свойств, различные направления сходятся в том, что свойства битума
зависят от концентрации асфальтенов, количественного соотношения смол и
различных групп углеводородов в битуме, а также химической природы асфальтенов и их дисперсности [6, 27, 61].
В теории Нелленштейна битум представляется коллоидной системой мицеллярного строения с находящимися в углеводородной среде ядрами асфальтенов, стабилизированных адсорбированным слоем смол. Размер ядер асфальтенов зависит от длины и количества их боковых алифатических цепей. Чем
длиннее и многочисленнее цепи, тем больше молекул углеводородов они способны удержать и тем больше размер ядер. Стабильность системы зависит от
интенсивности поверхностного взаимодействия между ядрами асфальтенов и
масляной средой.
Дальнейшее развитие представлений о структуре битумов как о сложных
дисперсных системах, в которых дисперсионной средой является молекулярный
раствор смол или их часть в маслах, а дисперсной фазой — асфальтены, получили в работах И. А. Рыбьева. По его мнению, асфальтены, коллоиднорастворенные в углеводородной среде, становятся своеобразными центрами, окруженными оболочкой, состоящей из смол и масел, равномерно распределенных
20
по молекулярной массе: от тяжелых смол к сравнительно легким маслам без резко выраженной границы между фазой и средой. В пограничной зоне адсорбированы асфальтогеновые кислоты. Размер ядер зависит от химического состава
среды, активности асфальтенов и температуры [68, 69]. Исходя из группового
состава, степени пептизации асфальтенов битумы были разделены на три категории: золь, золь-гель и гель, отличающиеся по реологическим свойствам.
Существует также мнение о том, что битум является раствором высокомолекулярных соединений (асфальтенов и близких к ним по структуре смол
(твердых смол) в среде из нефтяных масел и близких к ним по строению смол
(плавких смол).
По современным воззрениям внутреннее строение битума представляет
собой сложную коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является
раствор смол в маслах, а дисперсной фазой — асфальтены, карбены и карбоиды,
коллоидно–растворенные в среде до макромолекул размером 18—20 мкм [6].
В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соединений в
зависимости от внешних условий битумы могут находиться в различных термодинамических состояниях: переходя последовательно все стадии от истинных растворов к коллоидным растворам надмолекулярных структур асфальтенов и смол до пластичных, а затем твердых тел. Состояние и свойства битумов
определяются не только формами и размерами молекул, но и всем комплексом
сложных явлений структурообразования, начиная с укладки отдельных цепей
молекул и заканчивая формированием крупной надмолекулярной структуры с
различными типами связей [58, 60].
Анализ различных представлений о структуре нефтяных битумов позволил [6] на базе основных положений физико-химической механики, современной коллоидной химии и физической химии высокополимеров рассматривать
битум как пространственную систему. Дисперсная фаза такой системы (асфальтены), обладая лиофобно-лиофильной мозаичной поверхностью, набухает в углеводородной дисперсионной среде, которая, в свою очередь в различной степени, структурирована смолами.
Развитию теории структурообразования в нефтяных битумах посвящены
работы А. С. Колбановской [40, 41, 42]. В её работах исследовано влияние количественных соотношений структурообразующих компонентов—масел, смол
и асфальтенов, а также их качественных характеристик на свойства битума.
Основная структурообразующую роль отведена асфальтенам, модель которых
может быть представлена системой конденсированных циклов, состоящих из
12—20 ароматических и меньшего количества нафтеновых колец. По данным
А. С. Колбановской, плоские листы конденсированных систем радиусом 0,85—
1,50 нм и толщиной 1,6—2,0 нм связаны гетероциклами, содержащими атомы
кислорода, азота, серы. Стабильными асфальтены могут быть только в среде
полициклических ароматических углеводородов, которые образуют на их поверхности сольватные оболочки. Молекулы смол являются конденсированными
системами, преимущественно состоящими из двух колец (ароматических и
21
нафтеновых), соединённых алифатическими мастиками. По данным А. С. Колбановской, асфальтены и смолы содержат одинаковые химические группы, и
различие в их строении в значительной мере носит количественный характер.
Полученные закономерности позволили А. С. Колбановской обосновать три
структурных типа битума и установить количественное соотношение структурообразующих компонентов для каждого типа битума (табл. 1.1)
Таблица 1.1
Структурные типы битумов по содержанию компонентов
Компоненты
Асфальтены
Смолы
Углеводороды
Содержание компонентов, %, в битумах типа
I
II
III
21…23
<18
>25
30…34
>30
<24
45…49
<48
>50
Так, битумы содержащие более 25 % асфальтенов, менее 24 % смол и более
50 % масел, отнесены к І структурному типу — гель. Дисперсная структура І типа
определяется коагуляционной сеткой-каркасом из набухших в ароматических углеводородах асфальтенов, взаимодействающих по лиофобным участкам поверхности через тонкие прослойки слабоструктурированной смолами дисперсионной
среды. Асфальтены в сетке-каркасе взаимодействуют полярными лиофобными
участками. На внешней лиофильной поверхности асфальтенов адсорбируются
смолы, имеющие повышенные механические свойства в тонком слое. Сольватируясь, асфальтены набухают в ароматических углеводородах. Возможная кристаллизация твердых парафинов на асфальтенах может привести к образованию в
битуме дополнительной пространственной кристаллизационной сетки.
При содержании асфальтенов менее 18 %, смол более 36 % и масел менее
48 % битумы принадлежат ІІ структурному типу — золь. В структуре ІІ типа
доминирующую роль играют надмолекулярные вторичные образования смол, в
узлах которых находятся несвязанные и невзаимодействующие друг с другом
асфальтены. Битумы типа золь — предельно стабилизированная, разбавленная
система асфальтенов в сильно структурированной смолами дисперсной среде.
Не связанные и не взаимодействующие между собой асфальтены адсорбируют
смолы, переводя их в пленочное состояние.
Промежуточное положение по содержанию асфальтенов занимают битумы ІІІ структурного типа — золь-гель, в которых асфальтенов 21—23 %, смол
30—34 %, масел 45—49 %. Структура битума ІІІ типа определяется сопряжёнными сетками из отдельных агрегатов асфальтенов и адсорбированными на их
поверхности тяжёлыми смолами, пронизывающими весь объём системы [41,
42]. Битумы типа золь-гель система, в которой отдельные агрегаты асфальтенов
находятся в дисперсной среде, структурированной смолами в большей степени,
чем в среде I типа, но в меньшей степени, чем в среде битумов II структурного
22
типа. Асфальтены в такой структуре, взаимодействуя лиофобными полярными
участками, образуют агрегаты и зародыши коагуляционной структуры, но их
недостаточно для создания сплошного структурного каркаса. На внешней поверхности асфальтенов ориентированно адсорбируются смолы. Особенности
этого вида структуры определяют взаимодействия отдельных агрегатов асфальтенов и структурированных смол, служащих как бы мостиками между ними.
По результатам исследования дисперсных структур в нефтяных битумах
различных типов, проведенных А. С. Колбановской, установлены преимущества битумов, имеющих структуру ІІІ типа золь-гель перед І типом гель и ІІ типом золь. По А. С. Колбановской, оптимальная структура битума для горячих
асфальтобетонов выбирается путём сравнительной оценки поведения различных дисперсных структур в эксплуатационных условиях. Битумы І типа, несмотря на повышенную пластичность при низких температурах и высокую теплоустойчивость, обладают рядом существенных недостатков, к числу которых
относятся низкая устойчивость против действия окислительных факторов и
склонность к синерезису на поверхности пористых минеральных материалов,
что способствует ускоренному старению. Битумы ІІ типа, несмотря на высокую
прочность и устойчивость против термоокислительных воздействий при высоких технологических температурах в процессе приготовления асфальтобетонных смесей, практическое отсутствие синерезиса на пористых минеральных поверхностях, недостаточно теплоустойчивы при положительных температурах и
хрупки даже при небольших отрицательных температурах. Не имеют указанных недостатков битумы ІІІ типа, так как обладают более высокой теплостойкостью и повышенной пластичностью при низких температурах в сравнении с
битумами ІІ типа и более устойчивы к старению, чем битумы І типа. Указанное
позволило обосновать необходимость применения в дорожном строительстве
битумов ІІІ структурного типа, которые получили наименование марок БНД.
В исследованиях И. М. Руденской и А. В. Руденского [60, 61, 62] приводятся данные, убедительно показывающие влияние структурообразующих компонентов битума на их свойства. Так, установлено, что интервал упруговязкопластичного состояния битума определяется содержанием асфальтенов и
масел. Содержание смол напрямую отражается на величине растяжимости битума при 25 °С и на его температуре хрупкости. И. М. Руденской предложено
проводить классификацию битумов по реологическим типам, подразделяя их
по интервалу пластичности на три группы: битумы с малым (меньше 60 °С),
средним (60—70 °С) и широким (более 70 °С) интервалом пластичности.
Состав битума в значительной мере определяет интенсивность процессов,
протекающих на границе раздела фаз «битум — минеральный материал». Контакт указанных фаз в значительной степени определяет качество (физикомеханические и эксплуатационные свойства) композиционных материалов на
основе битумов.
Поэтому формированию прочного и плотного адгезионного соединения
между битумом и минеральным заполнителем уделяется пристальное внима-
23
ние, и разработка методов улучшения смачивающей способности битума является самостоятельной и актуальной научно-практической задачей.
На поверхность минерального материала, в первую очередь, будут адсорбироваться содержащиеся в битуме поверхностно-активные компоненты типа
асфальтогеновых кислот и их ангидридов. Соединения ароматического ряда той
же химической природы и с одинаковым числом атомов углерода адсорбируются на поверхность лучше, чем алифатические, что связано с повышением активности за счет присутствия ненасыщенных двойных и тройных связей. Содержащиеся в маслах неполярные парафиновые углеводороды являются иногда
флоккулирующими веществами, изменяющимися под действием тепла, кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей. Увеличение их содержания в мальтеновой части битумов ухудшает растворимость асфальтенов [59, 61].
Интенсивность окислительных процессов в битуме зависит как от его
структуры/типа (см. табл.1.1), так и химического состава. Так, комплексные соединения металлов (ванадия и никеля), входящих в высокомолекулярную часть
асфальтенов битума термического крекинга, оказывают значительное влияние
на структурообразование и атмосферостойкость.
На химический состав битумов каждого типа оказывают влияние природа
сырьевой нефти, состав нефтяных фракций и технология получения битума.
Так, несмотря на близкий элементный состав и среднюю молекулярную массу
углеводородов и смол разных нефтей асфальтены битумов могут иметь различные характеристики: асфальтены из крекинг-остатков имеют высокую степень
ароматичности и невысокую молекулярную массу, что свидетельствует об их
достаточной лиофобности вследствие малого количества алифатических боковых цепей; асфальтены битумов прямой перегонки гудрона, наоборот, достаточно лиофильны, а глубоко перекисленные битумы имеют более высокомолекулярные асфальтены [14, 27].
Объёмы производства битумов прямой перегонки и глубокоокисленных
битумов марок БН и БНД по ГОСТ 22245-90 составляют наиболее значительную часть от объема всех потребляемых дорожных битумов. Однако значительная часть получаемых на нефтеперерабатывающих заводах окисленных битумов марок БН и БНД невысокого качества, что связано, как правило, недостатками применяемой технологии производства. Путем оптимизации технологических факторов окисления нефтяного сырья (температуры и продолжительности процесса окисления, расхода воздуха) возможно влиять на структуру и
свойства окисленных битумов [10, 14, 15, 24, 58], однако этот путь технически
недостаточно эффективен и экономически не рационален, т. к. исследования
[14, 15, 44] показали, что при оптимальной для качества получаемого битума
температуре окисления и рациональном расходе воздуха снижается производительность окислительных реакторов. Так, битумы, окисленные при более низких температурах и оптимальном расходе воздуха, обладают несколько улучшенными качественными характеристиками (в том числе более высокой устойчивостью к старению), но производительность технологического процесса в
24
этом случае в 1,5—2 раза ниже. Получаемые при оптимизированном технологическом процессе дорожные битумы соответствуют по своим качественным
показателям требованиям ГОСТ 22245-90, что является пределом для данной
технологии получения вяжущих.
1.2. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ НЕФТЯНЫЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ.
ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАТОРОВ НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА БИТУМОВ
1.2.1. Технические решения, направленные на улучшение качества
дорожных битумов. Понятие модифицированных битумов
Для получения битумов с улучшенными характеристиками необходимо
принимать те технологические решения, которые обеспечивают требуемый
уровень качества битумов и соответствуют общим критериям техникоэкономической эффективности использования битумов в конкретных условиях
их применения. В частности, для повышения качества битумов наряду с совершенствованием технологических процессов производства битумов используются следующие основные технические решения:
- для обеспечения высоких адгезионных свойств необходимо использовать разного рода добавки поверхностно-активных веществ (в первую очередь,
катионного типа),
- для обеспечения широкого интервала пластичности наиболее эффективно введение в состав битумов модифицирующих добавок типа каучуков, резин, эластомеров, полимеров и т. п.,
- для обеспечения стабильности свойств битумов целесообразно введение в состав битумов тонкодисперсных структурирующих наполнителей, получаемых, в частности, помолом горючих сланцев, природных битумосодержащих материалов; применение синтетических волокон, природных битумов и
добавок, тормозящих развитие процессов окисления в битуме.
Для качественного улучшения структуры и свойств дорожных битумов
самым эффективным способом, позволяющим при направленном воздействии
на структуру битума получать качественно новое органическое вяжущее, является модификация битумов высокомолекулярными соединениями — полимерами, позволяющая получать комплексные многокомпонентные органические
вяжущие, которые являются вяжущими нового поколения.
В настоящее время к модифицированным битумным вяжущим относятся нефтяные дорожные битумы (или другие органические вяжущие, например, сланцевые битумы) содержащие до 10 % (по массе) добавок модификатора, относящегося, как правило, к органическим высокомолекулярным соединениям. В качестве модифицированных битумов широко известны разные виды
полимерно-битумных вяжущих, резинобитумных вяжущих и битумов, модифицированных добавками высокомолекулярных поверхностно-активных ве-
25
ществ или природных битумов, а также продуктов нефтехимии, коксохимических и лесохимических производств.
Комплексные органические вяжущие (КОВ) — это вяжущие, состоящие из двух или более компонентов, в которых содержание основного компонента составляет менее 90 % по массе. В качестве компонентов КОВ могут
быть использованы нефтяные или природные битумы, тяжелые нефти, каменноугольные и сланцевые битумы, продукты нефтехимических, коксохимических и лесохимических производств. К числу КОВ относятся дегтебитумные и
битумодегтевые вяжущие, сернобитумные вяжущие, а также вяжущие, получаемые с использованием тяжелых нефтей и природных битумов, остатков от
регенерации отработанных смазочных масел и разного рода композиционные
вяжущие.
К композиционным вяжущим относятся КОВ, содержащие более трех
компонентов, включая различные модифицирующие добавки, пластификаторы,
структурирующие и стабилизирующие добавки (например, тонкодисперсные
порошки и волокнистые наполнители). Наиболее известным компонентом комплексных органических вяжущих из числа природных битуминозных материалов являются тринидатский озерный асфальт, а также природные тугоплавкие
битумы типа асфальтитов или гильсонитов.
1.2.2. Нефтяные дорожные битумы,
модифицированные полимерами
Первые исследования, направленные на повышение качества битума, были предприняты более 150 лет назад. Для повышения эксплуатационных
свойств битумов вводили органические соединения. Так, в Японии в 1923 году
был получен патент на модификацию битума натуральным каучуком. Однако
широкое использование этого способа модификации битумов в начале прошлого столетия сдерживалось высокой стоимостью указанного модификатора. Разработка технологии и организация мощной сети предприятий по производству
синтетических каучуков значительно снизили их стоимость и увеличили доступность, что обеспечило широкое использование каучуков в различных отраслях промышленности, в том числе в строительстве [70, 73].
Эффективность модификации битумов зависит от структуры и физикомеханических свойств полимеров. Известно [5, 28, 37, 38, 70], что макромолекулы полимеров построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп
атомов — элементарных звеньев. По расположению атомных групп в макромолекулах полимеры подразделяются на линейные, разветвленные и сшитые.
Особенностью строения этих макромолекул является резкое различие характера
связей вдоль цепи и между цепями, причем связи вдоль цепи намного прочнее
поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Эта особенность строения макромолекулы опре-
26
деляет весь комплекс аномальных свойств полимеров. Благодаря большой длине в сравнении с поперечным размером, макромолекулы обладают значительной гибкостью. Полимеры малочувствительны к действию положительных
температур. Переход полимера из высокоэластичного в вязко-текучее состояние начинается при температурах выше 100 °С. Это обстоятельство обусловлено тем, что текучесть требует перемещения всей макромолекулы, какова бы ни
была ее длина, а потеря твердости, т. е. возникновение высокоэластичности,
происходит уже при перемещении отдельных участков цепных макромолекул.
Поэтому температура текучести возрастает с ростом длины молекулы, поскольку вязкость систем как жестких, так и гибких цепных макромолекул неизбежно
тем больше, чем длиннее макромолекулы. Температура стеклования понижается с ростом молекулярного веса до тех пор, пока не начинает проявляться гибкость молекулы.
К настоящему времени в полимербитумных композициях испытаны практически все известные полимеры. Однако для практических целей применяются
лишь некоторые типы высокомолекулярных соединений. Все имеющиеся высокомолекулярные соединения, применяемые в настоящее время для улучшения
свойств битумов, сгруппированы в следующие классы:
1. Блоксополимеры дивинила и стирола (термоэластопластичные полимеры). Различают три вида блоксополимеров стирола: стирол-бутадиенстирол (СБС), стирол-изопрен-стирол (СИС), стирол-этилен / бутилен-стирол
(СЭ/БС). Для модификации дорожных битумов применяют блоксополимеры
стирола типа СБС. Примером является группа полимеров: Кратон Д1101, Кратон Д1184, Кратон Д1186 фирмы «Шелл»; Финопрен 411 фирмы «Петрофина»;
Европрен Сол Т 161 фирмы «Эникем», Калпрен 411 фирмы «Репсол»; отечественные термоэластопласты ДСТ 30-01 и ДСТ 30Р-01, производства ОАО «Воронежсинтезкаучук».
Термоэластопласты сохраняют способность к высокоэластическим деформациям в диапазоне температур от +80 до –80 ˚С. Температура деструкции термоэластопластов — 190…210 ˚С. Это класс полимеров, который сочетает в себе
высокую прочность, присущую пластмассам, и эластичность, свойственную эластомерам. Термоэластопласты бутадиена и стирола типа СБС отличаются способностью к высокоэластическим деформациям за счет работы пространственной
структурной сетки, образованной благодаря физическим связям между блоками
макромолекул бутадиена и стирола. Блоки полистирола трёхблочных молекул
термоэластопласта типа СБС расположены по краям и имеют очень прочные связи между макромолекулами при температуре до +80 °С. Это придаёт пространственной сетке, образующейся в битуме при растворении в нём блоксополимера,
высокую прочность, а следовательно, получаемое вяжущее более теплостойкое в
сравнении с исходным битумом. Полимеры типа СБС сочетают в себе высокую
прочность, присущую пластмассам и очень низкую температуру стеклования,
свойственную каучукам. Последнее свойство, как и при применении эластомеров,
позволяет обеспечить требуемую температуру хрупкости вяжущего.
27
Блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС хорошо совмещаются с
битумами, т. к. полистирол и полибутадиен хорошо набухают в парафинонафтеновых и нафтено-ароматических углеводородах битума и частично растворяются в них при температуре 150 °С. Для улучшения растворения полимера в битуме применяют пластификаторы: индустриальные масла марок И-20А,
И-30А, И-40А, И-50А и нефтяные гудроны. Применение пластификатора позволяет значительно улучшить растворимость полимера в битуме, но при этом
несколько снижает адгезионные свойства получаемого вяжущего в сравнении с
исходным битумом.
Для битумов с добавками полимеров типа СБС присуще новое свойство
нехарактерное для битумов — эластичность, которое характеризует способность вяжущего к обратимым, эластическим деформациям. Для того чтобы регламентировать получение вяжущего с оптимальной структурой и обеспечить
контроль его качества используется показатель эластичности (Э), который определяется на приборе дуктилометре, одновременно при определении растяжимости вяжущего при температуре 25 и 0 °С (табл. 1.2). Эластичность при 25 °С
характеризует наличие в вяжущем пространственной структурной сетки полимера, соответственно при 0 °С характеризует работоспособность этой сетки при
низких температурах, что необходимо для повышения деформативности битумно-полимерного вяжущего при низких температурах [4, 5, 22, 23, 54].
2. Эластомеры. К эластомерам относят каучук и каучукоподобные полимеры. Синтетические каучуки — продукты цепной полимеризации различных
углеводородных мономеров: изопрена, дивинила (бутадиена) и др. В отличие от
других полимеров эластомеры при их растяжении могут удлиняться до 10 раз
больше первоначальной длины, а при снятии нагрузки восстанавливать первоначальные размеры. Способность к эластичным деформациям объясняется спиралевидным строением их макромолекул, сильными внутримолекулярными
связями и слабым взаимодействием между макромолекулами.
Примером полимеров–эластомеров, наиболее пригодных для модификации битумов, являются синтетические каучуки общего назначения (изопреновые СКИ, дивиниловые СКД, дивинил-стирольные СКС, дивинил-метиловые
СКМС, этиленпропиленовые сополимеры СКЭПТ) заводов синтетического
каучука — Волжского, Воронежского, Нижнекамского, Стерлитомакского и др.
Указанные каучуки выпускаются в виде брикетированного эластичного продукта и служат основой для получения резины путем вулканизации (сшивки
макромолекул) каучука. Каучуки имеют большую молекулярную массу — от
150 тыс. до миллиона, среднюю плотность 0,9-0,95 г/см3, температуру стеклования не менее 50˚С.
Синтетические каучуки общего назначения, в силу своего специфического строения, обладают широким интервалом пластичности — от +190…+210 ˚С
(температура начала термодеструкции) до –70… –105 ˚С (температура стеклования), что вызывает увеличение интервала пластичности битумов при введении в них каучука с 50– 65 ˚С до 80– 90 ˚С (табл. 1.3).
28
Таблица 1.2
Технические требования к битумам и полимерно-битумным вяжущим на основе полимеров типа СБС
Нормы по маркам
Наименование показателей
29
Глубина проникновения иглы,
0,1 мм, не менее:
при 25 ˚С
при 0 ˚С
Температура размягчения по
КиШ,˚С, не ниже
Растяжимость, см, не менее:
при 25 ˚С
при 0 ˚С
Температура хрупкости, ˚С, не
выше
Эластичность, %, не менее:
при 25 ˚С
при 0 ˚С
Изменение температуры размягчения после прогрева, ˚С, не
более
Температура вспышки, ˚С,
не ниже
Сцепление с мрамором или песком, контрольный образец
Однородность
БНД
200/300
ПБВ
200
БНД
130/200
ПБВ
130
БНД
90/130
ПБВ 90
БНД
60/90
ПБВ
60
БНД
40/60
ПБВ
40
201—300
45
200
70
131—200
35
130
50
91—130
28
90
40
61—90
20
60
32
40—60
13
40
26
35
47
40
49
43
51
47
54
51
56
—
20
30
25
70
6,0
30
20
65
4,0
30
15
55
3,5
25
11
45
—
15
8
–20
-35
-18
-30
-17
-25
-15
-20
-12
-15
—
—
85
75
—
—
85
75
—
—
85
75
—
—
80
70
—
—
80
70
7
7
6
6
5
6
5
5
5
5
220
220
220
220
230
220
230
220
230
230
№2
№2
№2
.№ 2
№2
№2
№2
№2
№2
№2
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
Таблица 1.3
Сравнительные технические требования к БКВ и БНД
Наименование показателей
Нормы по маркам
БКВ
БНД
БКВ
130/200 90/130 90/130
30
БНД
200/300
БКВ
200/300
БНД
130/200
БНД
60/90
БКВ
60/90
БНД
40/60
БКВ
30/40
-20
-42
-18
-32
-17
-27
-15
-22
-12
-15
—
—
40
30
—
—
40
30
—
—
40
30
—
—
40
30
—
—
40
30
220
220
220
220
230
220
230
220
230
230
7
7
6
6
5
6
5
6
5
5
—
№1
—
№1
—
№1
—
№1
—
№1
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
—
Одн.
Глубина проникания иглы,
0,1 мм, не менее:
при 25 °С
201—300 201—300 131—200 131—200 91—130 91—130 61—90 61—90 40—60 31—40
при 0 °С
45
60
45
50
28
40
20
28
13
10
Растяжимость, см, не менее:
—
70
70
70
65
70
55
60
45
30
при 25 °С
20
35
6,0
35
4,0
25
3,5
22
—
10
при 0 °С
Температура размягчения по
кольцу и шару, °С, не ниже
40
40
43
45
35
43
47
49
51
56
Температура хрупкости, °С,
не выше
Эластичность, % не менее:
при 25 °С
при 0 °С
Температура вспышки, °С, не
ниже
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С
не более
Сцепление с мрамором или
песком по контрольному образцу
Однородность
Введение синтетического каучука в нефтяной битум способствует снижению его теплочувствительности, возрастанию вязкости при высоких температурах и снижению при низких. Присутствие каучука в составе асфальтобетона
повышает его деформативную способность при низких и деформационную устойчивость при высоких температурах, приводит к возрастанию усталостной
долговечности асфальтобетонных покрытий [7, 44, 47, 50].
Выбор типа каучука для приготовления модифицированного битума определяется техническими требованиями к физико-механическим свойствам вяжущего, т. к. каждый из перечисленных типов каучуков специфичен и передает
всей битумно-полимерной системе только присущие ему качества. Синтетические каучуки из-за больших размеров макромолекул плохо растворяются, но
хорошо набухают в органических растворителях.
3. Термопласты. Термопластичными называются полимеры, способные
многократно размягчатся при нагревании и отвердевать при охлаждении, что в
основном определяется линейным строением их молекул. Термопласты не
только набухают, но и отлично растворяются, а после испарения растворителя
способны возвращаться в твердое состояние. Широкое применение термопласты находят в лаках, клеях, жидких мастиках.
4. Реактопласты. Примером реактопластов являются эпоксидные, карбомидные, полиэфирные и др. синтетические смолы. Указанные полимеры для
образования пространственной структуры нуждаются в отвердителе и после реакции становятся чрезвычайно прочными (до 100—150 МПа), но недостаточно
деформативными материалами для применения в конструкциях дорожных
одежд. Более эффективным является путь применения битумов в качестве модифицирующих добавок с целью повышения деформативных характеристик
полимерных композитов на основе эпоксидных и др. термореактивных смол
[6]. Получаемые на основе модифицированных синтетических смол, композиционные материалы обладают более высокими физико-механическими свойствами и коррозионной стойкостью в сравнении с битумоминеральными материалами, однако в силу высокой стоимости пока применяются для устройства
полов высокой износо- и химической стойкости, изготовления строительных
клеев, антикоррозионной защиты строительных конструкций.
Условия эксплуатации нефтяных битумов в дорожных покрытиях, а также многочисленные исследования [4, 5, 6, 7, 22, 45] позволили сформулировать
следующие требования к высокомолекулярным полимерным соединениям,
предназначенным для модификации битумов:
- полимер должен быстро и полностью растворятся до молекулярного
уровня в дисперсионной среде нефтяного битума;
- макромолекулы полимера должны обладать склонностью к ассоциации
и при определенном содержании в битуме образовывать пространственную
структурную сетку;
- полимер должен образовывать в битуме такую структурную сетку, которая была бы устойчива к деструкции при технологических воздействиях в
31
процессе приготовления асфальтобетонных смесей и дальнейшей эксплуатации
асфальтобетона в покрытии;
- способ модификации битума, определяемый индивидуальными особенностями конкретного класса полимера, должен отвечать всем критериям
технико-экономической эффективности.
Для решения вопроса о целесообразности использования того или иного
модификатора или технологического процесса для получения битумных вяжущих улучшенного качества необходима оценка соблюдения следующих критериев технико-экономической эффективности:
1. Техническая эффективность определяется тем, в какой степени используемый модификатор реально обеспечивает улучшение требуемых показателей
качества битума.
2. Технологическая эффективность определяется тем, насколько предлагаемое техническое решение соответствует реальным технологическим возможностям производства, не требует введения дополнительных технологических операций, использования специального технологического оборудования и пр.
3. Экономическая эффективность определяется тем, в какой мере удорожание получаемого вяжущего оправдано улучшением его характеристик и возможностями продления сроков службы асфальтобетонных покрытий. Использование технически эффективных, но дорогих модификаторов или трудоемких
технологических процессов может существенно ограничить экономически целесообразную область применения модифицированного битумного вяжущего.
Из перечисленных выше классов полимеров в наибольшей степени
предъявленным требованиям удовлетворяют термоэластопласты и эластомеры,
и поэтому они в настоящее время имеют наибольшее применение для улучшения свойств дорожных битумов. В 2002 году в «СоюзДорНИИ» подготовлено к
изданию «Руководство по применению комплексных органических вяжущих
(КОВ), в том числе ПБВ, на основе блоксополимеров типа СБС в дорожном
строительстве». В нем отражены особенности технологии приготовления, применения и подбора составов. В 2004 году утвержден и введен в действие ГОСТ
Р 52056-2003 «Вяжущие полимерно-битумные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен-стирол» [4, 5].
Несмотря на широкое применение модифицированных битумов на основе СБС в дорожном строительстве в ряде случаев по причине неудовлетворительного сцепления вяжущего с минеральной частью асфальтобетона произошло преждевременное разрушение дорожных покрытий, построенных в
1996—2002 гг. [7, 17, 32]. Поэтому одновременно со стремлением улучшить
свойства битума и расширить диапазон температур его эксплуатации необходимо уделять повышенное внимание проблеме повышения прочности сцепления вяжущего с минеральными материалами. Для увеличения смачиваемости и адгезии битума к каменным поверхностям в различных странах были
предложены и применены добавки анион- и катионактивных поверхностноактивных веществ (ПАВ).
32
1.2.3. Нефтяные дорожные битумы,
улучшенные поверхностно-активными добавками
Поверхностно-активными веществами называют такие химические соединения, которые адсорбируются на поверхностях раздела жидкостей и твердых тел и влияют на их физико-химические или химические свойства. ПАВ являются, как правило, соединениями, молекулы которых состоят из двух главных частей — радикала и функциональной группы.
Радикал представляет собой группу атомов, которая при ряде химических превращений неизменна и переходит из молекулы одного соединения в
молекулу другого. Радикалы образуются, например, при отщеплении в молекулах углеводородов органических соединений атома водорода. Так, если в любом предельном (насыщенном) соединении, относящимся к классу парафинов,
типа CnH2n+2, отщепляется атом водорода, то оставшаяся группа атомов CnH2n + 1
является алифатическим или жирным (алкильным/парафиновым) радикалом,
который обозначается обычно буквой R:
H H H H H
H
‫׀ ׀ ׀ ׀ ׀‬
‫׀‬
H—C—C—C—С—С…– С—
‫׀ ׀ ׀ ׀ ׀‬
‫׀‬
H H H H H
H
Место отщепленного водорода в молекуле может занять другой атом или
группа атомов, обладающих определенными свойствами, связанными со стационарным смещением электронов на их атомных орбитах, что обусловливает наличие определенного электрического диполя и дипольного момента всей молекулы. Такие атомы или группы атомов называются функциональными группами.
Наиболее часто встречающиеся в составе ПАВ функциональные группы:
От типа функциональной полярной группы и структуры радикала зависит
растворимость ПАВ в различных растворителях и способность диссоциировать
на ионы. ПАВ, в которых функциональные группы несут положительный заряд,
активны в кислой среде и неактивны в щелочной, тогда как ПАВ с отрицатель-
33
но заряженными функциональными группами, наоборот, активны в щелочной и
неактивны в кислой.
Поверхностно-активные добавки характеризуются тем, что в составе их
молекул должны содержаться полярная, растворимая (гидрофильная) часть и
неполярная, нерастворимая в воде (гидрофобная) часть.
ОНСООНNH2+
Функциональная группа
СН3—СН2—СН2—
Сложный органический радикал
Кислотные группы (СООН-) имеют отрицательный заряд, положительно
заряженная группа (NH2+) характерна для аминов.
Если какая-либо поверхность полярная или имеет собственные активные
(полярные) группы, то она, естественно, будет притягивать (адсорбировать) противоположно заряженные полярные группы молекул ПАВ, которые будут при
этом ориентироваться углеводородными радикалами наружу. Покрытая слоем в
одну молекулу такая поверхность со стороны окружающей среды приобретает
свойства, характерные для углеводородов. Она не будет смачиваться водой и потому будет гидрофобной (от греческого «боязнь/страх воды»), или водоотталкивающей. Первоначально же поверхность, будучи полярной, хорошо смачивалась
водой, что указывало на её гидрофильность (от греческого «любовь к воде»).
В том случае, когда поверхность первоначально была углеводородной,
например поверхность битума, небольшая примесь ПАВ — жирной кислоты
(C17H35COOH) или жирного амина (C17H35NH2) — может самопроизвольно изменить её на полярную с находящимися сверху полярными группами COOH
или NH2. При этом концентрация ПАВ в поверхностном (адсорбционном) слое
может в десятки тысяч раз превышать концентрацию его в объёме окружающей
среды (например, в растворе). Адсорбционный слой ПАВ осуществляет как бы
переход между двумя граничащими фазами, противоположными по молекулярной природе. Благодаря этому слою обеспечивается тесная связь между соприкасающимися телами (адгезия).
Принципиально все поверхностно-активные вещества разделяются на две
большие группы: ионогенные соединения, при растворении в воде диссоциирующие на ионы, и неионогенные, которые на ионы не диссоциируют. В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ — анионами или катионами, ионогенные вещества подразделяются на анионактивные, катионактивные и амфолитные (амфотерные).
Анионактивные ПАВ активны в щелочных растворах, катионактивные — в
кислых, амфолитные — в тех и других.
Активность ПАВ зависит от длины и ненасыщенности углеводородного
радикала. При одинаковом числе атомов углерода в молекуле действие ПАВ
улучшается с увеличением числа двойных связей, а при числе атомов углерода
менее 10 поверхностно-активные свойства вообще не проявляются. При введе34
нии в воду ионных добавок они ионизируются и перемещаются к поверхности
раздела фаз. Пленка, которая образуется в результате объединения на поверхности битумной части гидрофобных частей молекул эмульгатора, придает битумным каплям электрический заряд. Знак этого заряда определяется зарядом
гидрофобной или углеводородной части молекулы добавки. Если отрицательно
заряженные ионы (анионы) добавки обладают гидрофобностью, то битум будет
нести отрицательный заряд, а добавка называется анионной. Если катионы или
положительно заряженные ионы гидрофобны, то битум несет положительный
заряд, добавка относится к типу катионных.
Анионные поверхностно-активные добавки активно взаимодействуют с
основными (содержащими СаО) минеральными материалами, образуя на их поверхности водостойкую пленку. С кислыми (содержащими SiQ2) породами
анионные поверхностно-активные добавки взаимодействуют слабо, поэтому
пленка вяжущего будет менее водостойка.
Катионные поверхностно-активные добавки активно взаимодействуют с
основными и особенно с кислыми минеральными материалами, образуя на поверхности зерен любых горных пород прочную и водостойкую пленку.
В качестве анионных поверхностно-активных добавок используют вещества типа высших органических кислот (жирные, смоляные, нафтеновые, сульфатонафтеновые) и их солей (мыла).
Из катионных ПАВ наибольшее практическое значение имеют амины и
четвертичные соли аммония. В растворах они могут быть в молекулярной, ионной или мицеллярной форме. Механизм взаимодействия аминов с минеральными материалами сводится к ионному обмену катиона минерала на катион
амина. Закрепление аминов на поверхности кислых минеральных материалов
обусловлено в значительной мере электростатической адсорбцией ионов ПАВ
во внешней обкладке двойного электрического слоя. Адсорбция аминов на поверхности минеральных материалов вызывает изменение электрохимического
потенциала.
Итак, ПАВ обладают способностью перемещаться к поверхности раздела
фаз, которая может представлять собой границу между двумя жидкостями,
жидкостью и газом, жидкостью и твердым телом, и собираются там в количестве, большем, чем внутри раствора. В среде «битум — вода» (битумно-водная
эмульсия) поверхностно-активные добавки перемещаются к поверхности раздела между битумом и водой. Гидрофобная часть молекулы добавки сохраняет
взаимодействие с поверхностью частиц битума, придавая им ионные заряды.
Гидрофильная часть молекулы добавки располагается в водной фазе. В среде
«битум — минеральный материал» органический радикал добавки входит в себе подобный слой (битум), а функциональная группа взаимодействует с минеральным материалом.
Поверхностно-активные добавки снижают поверхностное натяжение на
границе «битум — минеральный материал», улучшают и ускоряют обволакивание поверхности минеральных материалов, увеличивают адгезию битума к ми-
35
неральному материалу. Поверхностно-активные добавки могут адсорбироваться также на лиофобных участках поверхности асфальтенов, блокируя места их
коагуляционных контактов, препятствуя тем самым асфальтенам сливаться в
более крупные частицы (коалесценция). Это свойство поверхностно-активных
добавок заключается в разделении частиц одинаково заряженных, а следовательно, отталкивающихся друг от друга. Поверхностно-активные добавки приводят к стабилизации всей системы, а следовательно, к замедлению старения
битума. Такая стабилизация системы адсорбционными слоями приводит к снижению ее вязкости. Все это вместе взятое — улучшение смачивания и обволакивания вследствие стабилизации системы — позволяет снизить рабочую температуру битума и температуру приготовления асфальтобетонной смеси.
Широко применять ПАВ в дорожном строительстве начали в прошлом
веке. В середине 20-го столетия во Франции широкое применение при модификации битумов получили диамины и полиамины. В Англии и Швеции используют катионактивные ПАВ на основе пальмитиновой, масляной, стеариновой
кислот. В США и Канаде выпускаются добавки типа аминов и солей аммония.
В период 1959-1970 гг. в СССР построено свыше 15000 км дорог с применением ПАВ как анионного, так и катионного типов [61]. В последние 20 лет получили широкое распространение неионогенные ПАВ, которые наиболее чувствительны к щелочным и кислым минеральным материалам [6]. Также в России
для улучшения адгезионных свойств битума к минеральной части асфальтобетона применяют анионактивные ПАВ: госсиполовую кислоту, окисленный петролатум, синтетические жирные кислоты (СЖК), кубовые остатки СЖК, железистые соли высших карбоновых кислот и др. Используются также катионные
ПАВ (октадециламин, амины, диамины). Из неионогенных ПАВ известны камид, эфиры полиоксиэтиленовых алкифенолов ОП-7 и ОП-10.
Катионные ПАВ, применяемые в дорожном строительстве для повышения сцепления битума с кислыми горными породами, как правило, относятся к
классу органических азотосодержащих соединений — аминов и их производных. В качестве катионных ПАВ используются амины, диамины, полиамины и
их производные, четвертичные аммониевые основания и их соли, амидоамины,
имидазолины и их производные, пиперазины и их производные, а также смеси
этих соединений и т. п.
В настоящее время наиболее широко известны отечественные азотосодержащие ПАВ, используемые в качестве адгезионных добавок к дорожным
битумам: БП-3М по ТУ 38.401-66-60-90 (амидоамины), «Амдор» по ТУ 0257003-35475596-96 (алкиламины и амидоамины, имидозолины), ТУ 0257-00435475596-96 (алкиламины и диалкиламины), «Дорос-АП» по ТУ 5732-00233452160-97 (амидоамины), «Кодид» по ТУ 38.507-63-0272-91 (амиды и эфироамиды), «Камид» по а. с. 216892 (амины, соли аминов, амиды жирных кислот), пеназолин по ТУ 38-40753-75 и пат. № 2090580 (амидозолины), «Бикор»
по ТУ 38.507-63-0218-91 и пат. № 2101249 (имидазолины, пиперазины, аминоамиды).
36
Кроме улучшения сцепления с минеральными материалами, ПАВ должны
обладать термостабильностью при технологической температуре вяжущих. Некоторые азотосодержащие ПАВ имеют низкую термостабильность (например БП-3,
БП-3М), в то же время такие ПАВ, как «Амдор–9», «Амидан», характеризуются
достаточно высокой термостабильностью, т. е. сохраняют свои свойства при длительном выдерживании битумных вяжущих при температуре 160—180 0С.
Необходимое условие адгезии — смачивание битумом поверхности минерального материала. ПАВ, содержащиеся в битуме, улучшают смачивание.
Даже на мокром минеральном материале битум в присутствии ПАВ распределяется в виде пленки, тогда как без ПАВ он собирается в капли. После смачивания происходит избирательная адсорбция и хемосорбция активных компонентов битума на минеральной поверхности.
Если химического взаимодействия не наблюдается, адсорбция является
физической и представляет собой обратимый процесс. Прочное сцепление битумов с минеральными материалами достигается в тех случаях, когда между
активными высокомолекулярными соединениями битума и минеральным материалом происходит химическая реакция с образованием водонерастворимых
соединений.
1.2.4. Резинобитумные вяжущие,
полученные совмещением нефтяных битумов и резиновой крошки
Расширение возможностей использования модифицирующих добавок
может быть также достигнуто за счет использования методов компаундирования и введения в состав битумных вяжущих компонентов, позволяющих снизить стоимость получаемого вяжущего. Известны, в частности, технические
решения, позволяющие с использованием компактных установок производить
модификацию битума резиновой крошкой и другими резиновыми компонентами. В направлении повышения качества битумов одним из наиболее эффективных направлений является расширение производства и применения резинобитумных вяжущих и мастик на их основе для применения при приготовлении
дорожных асфальтобетонных смесей, гидроизолирующих и герметизирующих
составов для заделки швов, трещин, устройства переходных зон покрытий над
стыками мостовых плит и т. п.
В целях выявления наиболее эффективной технологии получения резинобитумных вяжущих необходимо учитывать различия в характеристиках резиновой крошки, получаемой различными способами, и различия в способах совмещения резиновой крошки с битумом, в том числе температуру, интенсивность и длительность процесса перемешивания резиновой крошки с битумом.
Применение изношенной резины в дорожном строительстве возможно
двумя основными способами. Более простой способ, но не использующий в
полной мере ценных свойств каучуков и резин, состоит в применении резино-
37
вой крошки в качестве замены части наполнителя в асфальтобетоне. В рамках
этой технологии рекомендовано вводить резиновую крошку в минеральные
смеси в процессе перемешивания. Количество резиновой крошки должно составить 1,5—3 % от массы минеральной части асфальтобетона и крошка должна иметь не менее 80 % зерен размером мельче 0,63 мм. При этом битума
должно быть не менее 10 % для песчаного и не менее 7 % для щебенистого асфальтобетона, а температура нагрева минеральных материалов — 160…180 °С
при производстве уплотняемых асфальтобетонных смесей и 190…250 °С при
производстве литых смесей. Длительность перемешивания минеральных материалов и резиновой крошки до подачи битума составляет 15—30 секунд, а полное время перемешивания смеси — 120—180 секунд. Температура при выходе
из смесителя для уплотняемых смесей равна 140…160 °С, литых 190…220 °С, а
при укладке соответственно 120…140 и 180…210 °С. Уплотнение асфальтобетонных смесей, содержащих резиновую крошку, рекомендуется проводить при
более низкой температуре. Отмечается, что асфальтобетон с резиновой крошкой имеет повышенную теплостойкость, морозостойкость и деформативность
при низких температурах, а также повышенный коэффициент сцепления колес
автомобиля с дорожным покрытием. Введение в асфальтобетон резиновой
крошки снижает уровень шума. Асфальтобетонная смесь с резиновой крошкой
плохо уплотняется, однако после хранения в накопительных бункерах при
160 °С в течение 3—5 ч уплотняемость улучшается.
Дробленую резину с размером зерен 0—12,5 мм рекомендуется применять в качестве теплоизоляционного слоя с размером зерен 6—20 мм (70 %),
20—30 мм (10 %) и мельче 6 мм (20 %) — при устройстве поверхностной обработки. Для ремонта покрытий предложено укладывать тонкий слой дробленой
резины, а затем наносить слой износа. При использовании изношенной резины
в виде наполнителя — порошка или более крупных гранул не утилизируются
ценные свойства самого каучука, входящего в состав резин.
Более эффективным направлением является перевод резины в пластифицированное состояние, обеспечивающее возможность применения ее в составе
битумного вяжущего для производства уплотняющих, гидроизоляционных и
кровельных мастик, дорожных смесей [63].
Наибольшее количество изношенной резины собирается в виде автопокрышек и камер. В них содержатся такие ценные виды каучука, как натуральный, изопреновый, бутадиеновый, бутадиен-стирольный, бутил-каучук. Посредством термомеханической обработки в присутствии пластифицирующих
материалов изношенная резина может быть девулканизирована. В качестве
пластифицирующих материалов могут быть использованы нефтяные гудроны
или маловязкие битумы, тяжелые экстракты селективной очистки масляных
фракций (предпочтительно остаточные), каменноугольные тяжелые масла, смолы, дорожные дегти. При этом могут быть получены резинобитумные и резинодегтевые вяжущие высокого качества. Технологические параметры процесса
зависят от типа каучука, входящего в состав резин, и вида пластификатора.
38
Процесс пластификации резиновой крошки посредством термомеханической обработки ведут пропусканием набухшей в нефтяном гудроне (или битуме)
резины через аппарат-пластификатор, объединенный с шестеренчатым насосом,
при оптимальной температуре 225…235 °С. Набухшая резина под воздействием
зубьев шестеренчатого насоса постепенно пластифицируется, и органические
компоненты переходят в раствор. Продолжительность термомеханической обработки составляет от 30 мин до нескольких часов в зависимости от вида каучука и
растворителя. Снижение температуры и сокращение времени пластификации
ухудшает свойства готового продукта. Термопластификация резины может быть
проведена в лопастном или роторно-эксцентриковом смесителе.
Рекомендовано при термомеханической пластификации резины использовать поверхностно-активные вещества, например, сульфитно-дрожжевую бражку. Процесс термомеханической пластификации изношенной резины протекает
следующим образом: при совместной термомеханической обработке измельченная резина набухает в масляных фракциях битума (гудрона или дегтя), что ослабляет межмолекулярные связи в резине; в условиях продолжающихся подвода
тепла и механических воздействий происходит разрыв по этим ослабленным
связям, т. е. осуществляется девулканизация резины с образованием каучукового
вещества, которое структурирует битум (гудрон или деготь). По мере увеличения содержания резиновой крошки резинобитумные смеси все больше приближаются по физико-механическим свойствам к каучуковым материалам.
При исследовании методом ИК-спектроскопии резинобитумных составов
наблюдаются значительные изменения на полосе поглощения с частотой 970 см-1,
которая отсутствует в спектре исходного битума (гудрона). Появление этой интенсивной линии, характерной для ИК-спектров каучуков, обусловлено колебаниями двойных — С-С — связей в трансположении, что следует отнести за счет
деструктурированной в результате термомеханической обработки резины и образовавшегося каучукового вещества.
Данные о свойствах резинобитумных вяжущих, полученных при совмещении резиновой крошки (20 %) с нефтяным гудроном при температуре 220—
230 °С (длительность термомеханической обработки 4 ч), приведены в табл. 1.4
Таблица 1.4
Свойства резинобитумных вяжущих
Вяжущее, содержание модификатора в вяжущем
Температура размягчения, ºС
Глубина проникания
25 ºС
иглы, 0,1 мм при
0 ºС
Температура хрупкости, º С
Интервал пластичности, º С
Растяжимость при 25ºС, см
Исходный
гудрон
33,0
300
98
-23
56,3
100,0
39
Гудрон, содержащий
20 % резиновой крошки
36,0
167
69
-20
66,0
15,8
Термомеханической пластификацией резиновой крошки с битумом, имеющим температуру размягчения 70 °С, а температуру хрупкости -10 °С при содержании 5 % резиновой крошки получено резинобитумное вяжущее с температурой
размягчения 78 °С и температурой хрупкости -21 °С. При увеличении содержания
резиновой крошки до 15 % эти температуры составили соответственно 104 и
-30°С, а при 30 % резиновой крошки 119 и -36 °С. Начиная с 30 процентной добавки резины к битуму резинобитумное вяжущее при нагревании не растекается и
в то же время имеет температуру хрупкости -30 °С и ниже.
Скорости растворения и девулканизации зависят от влажности резиновой
крошки и от способа ее введения. Влажная крошка в нагретом гудроне растворяется быстрее, чем сухая, по-видимому, вследствие разрыва структурных связей резины под давлением паров воды. Рекомендуется проводить обработку
гудронов, содержащих растворенную (девулканизированную) резиновую
крошку, введением серы при повышенной температуре и в присутствии ускорителей вулканизации, таких как мочевина и ее производные, окиси Mg, Zn, Pb
или гидрат окиси кальция (известь). При этом получают резинобитумные вяжущие с широким интервалом пластичности (70—80 °С), улучшенными показателями температуры хрупкости, глубины проникания иглы при 0 °С и растяжимости при 0 °С.
Резинобитумные вяжущие дают асфальтобетоны с высокими эксплуатационными свойствами, повышенной износо- и теплостойкостью, стабильностью при старении. Асфальтобетон, приготовленный на резинобитумном вяжущем, отличается также меньшим водонасыщением и набуханием. Для него
характерна меньшая прочность при 0 °С, меньшая жесткость.
На основе резинобитумных вяжущих при введении наполнителей получают мастики для заполнения швов бетонных покрытий. При использовании
пластификаторов (нефтяных масел, полиолефинов, бутилкаучука) получают
мастичные материалы с температурой хрупкости до -35 °С, которые можно
применять в суровых климатических условиях. Эти мастики успешно применяют в аэродромном строительстве.
Для заполнения швов при устройстве и ремонте цементобетонных покрытий автомобильных дорог рекомендованы мастики из резинобитумных вяжущих, при производстве которых резиновую крошку подвергают сначала термопластификации тяжелым каменноугольным маслом (антраценовым) при 160 °С
в течение 4 ч в герметически закрытом смесителе, а затем вводят битум и минеральные наполнители. Резиновую крошку рекомендовано вводить порциями
в предварительно нагретое до 60—70 °С каменноугольное масло. Состав мастики для заполнения швов следующий: битум БН-IV 60—70 %, каменноугольное масло 8—10 %, резиновая крошка 8—10 %, асбестовый порошок 5— 10 %,
известняковый порошок 5—10 %.
Мастики для заполнения швов получают также путем энергичного перемешивания битума с резиновой крошкой при температуре 200 °С в присутствии
добавок дитиокислот, тиофенолов или их металлопроизводных, дитиокарбама-
40
тов, тетраметилтиурамсульфидов, меркаптобензотиазолов, диарилдисульфидов
(т. е. агентов вулканизации образующегося каучука), вводимых в количестве
0,1—5,0 % от массы резины. В качестве наполнителя применяют асбестовое волокно. Резинобитумные вяжущие используют для ремонта покрытий, имеющих
густую сетку трещин. Для этого применяют битум с глубиной проникания около
300 при 25 °С, который нагревают до 180 °С, и вводят в него резиновую крошку
(0,071—12 мм), получаемую как отход в мастерских по ремонту шин. После перемешивания при этой температуре получают резинобитумное вяжущее, которое
разливают на поврежденное покрытие с расходом 1,6—3,2 л/м2. После остывания образуется слой толщиной 5—6,5 мм, на который рекомендуется рассыпать
мелкий щебень или песок. Открывать движение можно через 45 мин.
Резинобитумные составы рекомендуют также для заделки крупных трещин на асфальтобетонном покрытии. Расход материала— 2,25—2,5 л/м2 или
0,25 л на 1 м трещин. После розлива вяжущего производят россыпь и укатку
мелкой каменной крошки на толщину 0,95—1,25 см.
Предложено резинобитумное вяжущее, содержащее до 70 % резины, распределять при температуре 90—235 °С на дорожное основание в количестве
0,9—4,5 л/м2, после чего наносить тонкий слой щебня, а затем асфальтобетонное покрытие.
Если ввести 30 % резиновой крошки в каменноугольный деготь с вязкостью 70 с по стандартному вискозиметру, можно получить резинодегтевое вяжущее с глубиной проникания 360 * 0,1 мм при 25 °С, которое может быть
применено для гидроизоляции и производства дегтебетона. Работы по резинобитумным и резинодегтевым вяжущим показали преимущества их по сравнению с исходными битумами, гудронами, дегтями. Технологические процессы
получения таких вяжущих достаточно разработаны. Однако производство резиновой крошки из изношенной резины является весьма энергоемким процессом. При этом надо учитывать, что для успешной термомеханической пластификации резины требуется тонкоизмельченная резиновая крошка, размер зерен
которой должен быть менее 1 мм. В патентной литературе рекомендуется измельчение резины производить в присутствии жидкого азота из-за его химической инертности и низкой температуры (-196 °С), легкости получения и использования, а пластификацию резины производить «ароматизированным» битумом
при 195 °С в течение 1 ч. Значительное количество изношенных покрышек, камер и других резиновых изделий еще не используется, накапливается, а нередко
сжигается. Некоторую часть изношенной резины перерабатывают на специальных регенерационных заводах в регенерат и снова используют для производства резиновых изделий. Однако с ростом автомобильного парка и других машин
растет и количество изношенной резины, которая может быть успешно использована в производстве высококачественных дорожных вяжущих материалов.
Вследствие большой энергоемкости процессов измельчения резины и ее термопластификации получаемое резинобитумное вяжущее дороже, чем нефтяной
битум, хотя покрытия из такого вяжущего значительно долговечнее.
41
1.2.5. Отечественный опыт производства и применения
резинобитумных вяжущих
Работы по использованию отходов производства и потребления резинотехнических изделий (РТИ) проводятся как в нашей стране, так и за рубежом. К
настоящему времени накоплен значительный опыт применения отходов РТИ в
дорожном строительстве.
Работы по применению резиновых отходов при устройстве асфальтобетонных покрытий, начатые еще в 30—40-х годах, обобщены в публикациях
А. И. Лысихиной, Г. К. Сюньи, Н. В. Горелышева и др [48, 72]. В дальнейшем
работы по применению продуктов переработки отходов РТИ были продолжены. Следует отметить, что опыт использования отходов РТИ имеется не только
в дорожном строительстве, но и в производстве гидроизоляционных, кровельных и герметизирующих материалов. Исследования, выполнявшиеся в Союздорнии, позволили разработать «Методические рекомендации по строительству
асфальтобетонных покрытий с применением резинового порошка», в которых
предусматривалось введение резинового порошка в асфальтобетонную смесь в
качестве наполнителя в составе минеральной части смеси.
Опыт строительства и ремонта дорожных покрытий с использованием
асфальтобетонов, улучшенных добавками резины по данной технологии, позволил в 1985 году разработать уточненные и дополненные рекомендации по
строительству асфальтобетонных покрытий с применением дробленой резины
которые нашли отражение в «Пособии по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов». В этих рекомендациях были учтены результаты проведенных в те годы исследований и опытнопроизводственных работ. Методические указания включали в себя методы подбора составов асфальтобетонных смесей с дробленой резиной, особенности
технологии приготовления смесей и устройства покрытий и поверхностных обработок.
Материалы, применяемые для приготовления асфальтобетонных смесей с
дробленой резиной, должны отвечать требованиям ГОСТ 9128-97.
Для получения наиболее плотной и прочной асфальтобетонной смеси рекомендовалось использовать резиновую крошку, содержащую не менее 80 %
частиц размером мельче 0,63 мм.
Дробленую резину рекомендовалось вводить либо непосредственно в минеральную часть асфальтобетонной смеси, либо предварительно объединив ее с
битумом. Количество вводимой дробленой резины составляло 1,5—3 % массы
минеральной части (при введении ее в минеральную часть асфальтобетонной
смеси) или 5—7 % массы битума при введении в вяжущее. Рекомендовалось
учитывать зерновой состав резины при введении ее в минеральную часть и не
учитывать при введении в битум.
В технологии приготовления асфальтобетонных смесей с дробленой резиной отмечалось, что при введении резиновой крошки в битум вяжущее необ-
42
ходимо приготавливать в рабочем котле, оборудованном приспособлением для
перемешивания резины и битума. Температура вяжущего не должна превышать
160 °С, время выдерживания—5 часов. При введении резины непосредственно
в асфальтобетонную смесь, смеситель необходимо оборудовать дополнительным устройством для хранения дробленой резины и отдельным дозатором для
введения резины в мешалку. При технической возможности дробленую резину
позволялось дозировать с помощью дозатора минерального порошка. При введении дробленой резины непосредственно в минеральную смесь рекомендуемое общее время перемешивания компонентов должно составлять 60—90 с,
при этом сухое перемешивание минеральных материалов и резины в мешалке
15—20 с. Точность дозирования минерального материала 3 %, а битума и резины +1,5 %. Температура уплотняемых асфальтобетонных смесей при выходе из
мешалки должна быть 140—160 °С, литых смесей—190—200 °С. Отмечалось,
что существенное повышение качества асфальтобетона с дробленой резиной
может быть достигнуто при выдерживании асфальтобетонных смесей в накопительных бункерах в течение 1—2 часов. Для того чтобы повысить совместимость вулканизированной резины с битумом предлагалось использовать мягчитель, например, сланцевый, в количестве 4—8 % массы дробленой резины.
Предполагалось его предварительное смешивание с резиной.
При укладке в покрытие температура уплотняемой смеси должна была
составлять 120—140 °С, литых смесей 180—210 °С. Отмечалось, что укладку
предпочтительней вести асфальтоукладчиком, обеспечивающим высокую степень предварительного уплотнения. Уплотнение асфальтобетонной смеси с
дробленой резиной отличалось рядом особенностей. Смеси рекомендовалось
уплотнять при несколько пониженной (по сравнению с принятой для обычных
смесей) температуре 90—100 °С для песчаных и 100—120 °С для щебенистых.
В случае появления на покрытии во время укатки технологических трещин
укатку необходимо приостановить, возобновив ее после снижения температуры
смеси на 10 °С. Не рекомендовалось использование для уплотнения катков на
пневматических шинах из-за повышенного сцепления шин с покрытием. Уплотнение полагалось вести либо статическими гладковальцовыми либо вибрационными катками.
Исследования различных вариантов технологических процессов введения
резины в состав строительных материалов показали, что в наибольшей степени
эффект от использования резины проявляется при введении ее в состав битумного вяжущего.
Введение резиновой крошки или резинового порошка в битум позволяет
получать высококачественное резинобитумное вяжущее, отличающееся более
широким интервалом пластичности и более высокими показателями деформативности и трещиностойкости по сравнению с обычными нефтяными битумами. Однако широкое применение резинобитумных вяжущих ограничивалось трудностью
обеспечения гомогенности совмещения резины с битумом, поскольку резина в битуме не растворяется, а только набухает, впитывая масленые компоненты битума.
43
В целях облегчения процесса совмещения резины с битумом частицы резины предварительно выдерживали в среде пластификатора (обычно нефтяных
или каменноугольных масел, предпочтительно ароматического состава) с последующим интенсивным и длительным перемешиванием. Длительность и трудоемкость данного процесса и являлись основными факторами, сдерживающими широкое применение резинобитумных вяжущих. В последние годы были
разработаны несколько методов химической модификации битумов резиновой
крошкой. Использование специальных химических реагентов способствует
улучшению процесса совмещения битума с резиновой крошкой, повышению
качества получаемых резинобитумных вяжущих.
Высокие адгезионные свойства получаемых вяжущих обеспечиваются
введением в их состав в процессе изготовления дополнительных активных химических групп, которые увеличивают полярность асфальтенов, стабилизируют
гетерогенную структуру вяжущего. При этом большая часть адгезионноактивных аминогрупп химически связывается с каучуковыми цепями резины, специально подготовленными для этой операции на начальном этапе.
Кроме того, важной особенностью резиновой крошки, особенно шинной,
является присутствие в ее составе специальных химических веществ — антиоксидантов и антистарителей, которые диффундируют в объеме вяжущего, дополнительно стабилизируя его структуру. Их присутствие обеспечивает повышение устойчивости материала к окислительной деградации в условиях эксплуатации, замедляет процессы старения при высокой эксплуатационной температуре и также в условиях нагрева до высоких технологических температур.
Введение мелкодисперсных резиновых частиц и их химическая сшивка с компонентами битумов, высокие адгезионные свойства повышают водоустойчивость битумных мастик, вяжущих и продуктов на их основе.
Необходимо отметить, что резинобитумные материалы, как правило, по
своей структуре являются композиционными материалами.
В результате научно-исследовательских и опытно-технологических работ
были разработаны составы композиционных резинобитумных вяжущих, опыт
практического применения которых в 2000-2005 гг. показал, что при стоимости
резины в несколько раз ниже стоимости синтетических каучуков или термоэластопластов (например, ДСТ 30-01 производства «Воронежсинтезкаучук»), они
обеспечивают требуемые эксплуатационные качества асфальтобетонных покрытий, что в целом обеспечивает заметно выраженный положительный эффект.
Исследования показали, что одним из важных показателей качества резинобитумных вяжущих является их гомогенность (т. е. однородность), непосредственно влияющая на однородность асфальтобетона, получаемого на основе
модифицированного битумного вяжущего.
Высокие адгезионные свойства получаемых вяжущих обеспечиваются
введением в их состав в процессе изготовления дополнительных активных химических групп, которые увеличивают полярность асфальтенов, стабилизируют
структуру вяжущего. При этом большая часть адгезионноактивных аминогрупп
44
химически связывается с каучуковыми цепями резины, специально подготовленными для этой операции на начальном этапе. Имеющийся в России опыт получения резинобитумных вяжущих с использованием специальных химических
реагентов показывает возможность не только эффективно улучшить характеристики исходных битумов, но и способствует решению важной экологической
проблемы утилизации отходов резинотехнических изделий (в первую очередь
изношенных автомобильных шин) в виде резиновой крошки, которая получается
путём измельчения старой резины и является практически неисчерпаемым и дешевым источником эластомерного сырья для получения резинобитумных мастик
и вяжущих. На основании опыта работ, проводившихся в России, был разработан «Технологический регламент на производство и применение резинобитумных вяжущих и мастик», с использованием которого был выполнен ряд опытнопроизводственных работ на объектах дорожного строительства.
Контрольные вопросы
1. Нефтяные дорожные битумы. Структура и свойства битумов.
2. Групповой состав нефтяных битумов и его влияние на их свойства.
3. Достоинства и недостатки вязких дорожных битумов. Область их применения в дорожном строительстве.
4. Пути улучшения свойств дорожных битумов. Понятие о комплексных
органических вяжущих. Модификация битумов.
5. Модификация битумов полимерами. Совместимость полимеров с битумами. Виды полимерных модификаторов. Способы введения полимеров в битумы. Пластификаторы.
6. Резинобитумные вяжущие. Область применения. Совмещение битумов
с резиновой крошкой. Свойства резинобитумных вяжущих.
7. Поверхностно-активные вещества. Виды добавок. Улучшение свойств
битумов поверхностно-активными веществами.
45
ГЛАВА 2
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА
И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО КАЧЕСТВА
2.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА.
МОДИФИКАЦИЯ ДОРОЖНОГО ГОРЯЧЕГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Строительство дорожных покрытий из асфальтобетона было начато с
конца 20-х годов 20-го века в Москве и Харькове. Для первого строительства
были приглашены немецкие и американские фирмы, имеющие подобный опыт
строительства. Однако дорожные покрытия, построенные этими фирмами, не
простояли и года, и это впервые показало, что европейский и американский
опыт нельзя переносить в климатические условия России без существенных
изменений.
Начало исследований дорожного асфальтобетона в СССР относится к
концу 20-х годов и связаны с именами профессоров П. В. Сахарова,
А. Я. Тихоновского, Н. Н. Иванова, Л. В. Пашкова, А. И. Мезериной. В начале
30-х годов были организованы исследовательские лаборатории в Москве, Ленинграде, Харькове. К 1932 году были разработаны первые нормы, в которых
устанавливались показатели прочности асфальтобетона, его плотности и пористости, которые были регламентированы по следующим значениям: предел
прочности при сжатии при 20 ºС — не менее 30 кгс/см2 (3,0 МПа), плотность —
не менее 2,2 г/см3, остаточная пористость — в пределах 2—5 %. В дальнейшем
это нормы совершенствовались, к ним постепенно прибавлялись другие показатели. В конце 50-х годов был разработан ГОСТ 9128-59, который на основе
опыта эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий впервые регламентировал основные технические требования как к асфальтобетонным смесям, так
и к их составляющим минеральным и вяжущим материалам.
На протяжении последующих лет проводились исследования асфальтобетона и анализ опыта строительства и эксплуатации дорожных покрытий. В
результате был разработан новый стандарт на асфальтобетонные смеси —
ГОСТ 9128-67. Существенным изменениям в новом стандарте по сравнению
с ГОСТ 9128-59 подверглись гранулометрические составы минеральной части
смесей, и было введено деление плотного асфальтобетона на пять типов: А —
многощебенистый, содержащий 50—65 % щебня; Б — среднещебенистый —
35—50 % щебня; В — малощебенистый — соответственно 20—35 %. Новым
стандартом было предусмотрено два типа песчаного асфальтобетона — тип Г
из дробленого песка и тип Д на основе природного песка. Впервые в указанной
редакции ГОСТ были стандартизированы нормы зернового состава минеральной части асфальтобетонных смесей, тогда как раньше они были рекомендательными.
46
В дальнейшем проводились исследования по изучению свойств асфальтобетона в условиях повторяющихся кратковременных нагрузок, статического
изгиба и др. режимах нагружения. Резкое увеличение объема применения асфальтобетона в дорожных покрытиях выявило центральную проблему в направленности исследований, связанную с повышением качества и долговечности этого материала. Поэтому в значительных объемах проводятся исследования по выявлению закономерностей процессов взаимодействия битума и минеральных материалов и разработке способов направленного регулирования
свойств асфальтобетона. В 1975 г. коллективом ученых под руководством
Л. Б. Гезенцвея, Н. В. Горелышева был разработан новый стандарт ГОСТ 9128-76
взамен ГОСТ 9128-67 на горячие и теплые асфальтобетонные смеси, а также
ГОСТ 15147-69 на холодные асфальтобетонные смеси, ГОСТ 17060-71 на горячие, теплые и холодные битумоминеральные смеси.
К числу принципиальных отличий в новом стандарте относится деление
асфальтобетонов в зависимости от качества минеральных материалов и показателей физико-механических свойств на марки — четыре марки для горячих и теплых смесей и две марки для холодных смесей. Также в новой редакции ГОСТ
9128-76 были введены рекомендации, относящиеся к области применения асфальтобетонов с учетом технической категории дорог и климатических условий,
с указанием наиболее рациональных для данных условий марок дорожных битумов. В последующем предложенные нормативы были скорректированы в новой
редакции ГОСТ 9128-84.
Последняя редакция ГОСТ 9128-97 [76], действующего в настоящее время государственного стандарта, была усовершенствована по показателям эксплуатационных свойств: однородности асфальтобетонных смесей, оцениваемой
по коэффициенту вариации показателя предела прочности при сжатии при
50 ºС, а также рекомендуемой оценке сдвигоустойчивости асфальтобетона
(прочности на сдвиг при 50 ºС). Оценивая незначительную практику применения теплых асфальтобетонов, новым стандартом предусматривается применение только двух видов смесей по температуре приготовления: горячих и холодных. ГОСТ 9128-97 предусматривает возможность применения битумов, модифицированных добавками различных полимерных материалов.
Таким образом, нормативная база по асфальтобетону и асфальтобетонным смесям развивалась путем постепенного добавления новых норм и незначительной корректировки уже установленных ранее. Практически неизменяемыми на протяжении многих лет являются нормы прочности и водостойкости.
Согласно ГОСТ 9128-97 смеси и асфальтобетоны в зависимости от физико-механических свойств и применяемых материалов подразделяют на виды,
типы и марки, указанные в табл. 2.1.
Физико-механических свойства высокоплотных и плотных асфальтобетонов из горячих смесей различных марок, применяемых в конкретных дорожноклиматических зонах, по ГОСТ 9128-97 должны соответствовать требованиям,
указанным в табл. 2.2.
47
Таблица 2.1
Виды, типы, марки смесей и асфальтобетонов
Вид и тип смесей и асфальтобетонов
Горячие: высокоплотные
плотные типов: А
Б, Г
В, Д
пористые и высокопористые
Холодные типов:
Бх, Вх
Гх
Дх
Марки
I
I, II
I, II, III
II, III
I, II
I, II
I, II
II
Таблица 2.2
Физико-механические характеристики плотных асфальтобетонов
Наименование показателя
I
Предел прочности при сжатии
при температуре 50 °С, МПа,
не менее, для асфальтобетонов:
высокоплотных
плотных типов:
А
Б
В
Г
Д
Предел прочности при сжатии
при температуре 20 °С для
асфальтобетонов всех типов,
МПа, не менее
Предел прочности при сжатии
при температуре 0 °С для асфальтобетонов всех типов,
МПа, не более
Значение для асфальтобетонов марки
I
II
III
для дорожно-климатических зон
II,
II,
IV,
IV, V I
IV, V
I
II, III
III
III
V
1,0
1,1
1,2
¾
¾
¾
¾
¾
¾
0,9
1,0
—
1,1
—
1,0
1,2
—
1,3
—
1,1
1,3
¾
1,6
¾
0,8
0,9
1,1
1,0
1,1
0,9
1,0
1,2
1,2
1,3
1,0
1,2
1,3
1,4
1,5
¾
0,8
1,0
0,9
1,0
¾
0,9
1,1
1,0
1,1
¾
1,1
1,2
1,1
1,2
2,5
2,5
2,5
2,2 2,2
2,2
2,0 2,0
2,0
9,0 11,0 13,0 10,0 12,0 13,0 10,0 12,0 13,0
48
Окончание табл. 2.2
Наименование показателя
I
Водостойкость, не менее:
плотных асфальтобетонов
высокоплотных асфальтобетонов
плотных асфальтобетонов
при длительном водонасыщении
высокоплотных асфальтобетонов при длительном
водонасыщении
Значение для асфальтобетонов марки
I
II
III
для дорожно-климатических зон
II,
II,
IV,
IV, V I
IV, V
I
II, III
III
III
V
0,95 0,90 0,85 0,90 0,85 0,80 0,85 0,75 0,70
0,95 0,95 0,90 ¾
¾
¾
¾
¾
¾
0,90 0,85 0,75 0,85 0,75 0,70 0,75 0,65 0,60
0,95 0,90 0,85 ¾
¾
¾
¾
¾
¾
Физико-механические свойства пористых и высокопористых асфальтобетонов из горячих смесей должны соответствовать по ГОСТ 9128-97 значениям,
указанным в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Физико-механические характеристики пористых асфальтобетонов
Наименование показателя
Значение
для марки
I
II
Предел прочности при сжатии при температуре 50°С,
МПа, не менее
0,7
0,5
Водостойкость, не менее
0,7
0,6
Водостойкость при длительном водонасыщении, не менее
0,6
0,5
Водонасыщение, % по объему:
для пористых асфальтобетонов
5,0÷10,0 5,0÷10,0
для высокопористых асфальтобетонов
10,0÷18,0 10,0÷18,0
Показатели физико-механических свойств асфальтобетонов из холодных
смесей различных марок по ГОСТ 9128-97должны соответствовать значениям,
указанным в табл. 2.4.
Обследование дорожных асфальтобетонных покрытий, проведенное
«РосдорНИИ» в начале 80-х годов, показало средний срок службы асфальтобетона — до 12—14 лет. Сейчас, по мнению многих специалистов, срок службы
асфальтобетона в покрытии не превышает 5-6 лет [21].
49
Таблица 2.4
Физико-механические свойства асфальтобетонов из холодных смесей
Наименование показателя
Предел прочности при сжатии
при температуре 20 °С, МПа,
не менее:
до прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
после прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
Значение для марки и типа
I
II
Бх, Вх
Гх
Бх, Вх
Гх, Дх
1,5
1,1
1,7
1,2
1,0
0,7
1,2
0,8
0,8
0,9
0,5
0,6
1,8
1,6
2,0
1,8
1,3
1,0
1,5
1,2
1,3
1,5
0,8
0,9
Рассмотрим основные причины разрушений дорожных асфальтобетонных
покрытий. Основной характеристикой асфальтобетона является прочность.
Прочность указывает границы допустимых напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Наряду с напряжениями, получаемыми от воздействия автомобилей, асфальтобетон подвергается воздействию атмосферных и талых вод. Вода, проникая в поры асфальтобетона, приводит к понижению прочности материала. Значительно разрушает структуру асфальтобетона его частое попеременное увлажнение и высыхание. Перемещаясь в порах, вода вызывает неравномерное распределение напряжений, что также способствует разрушению асфальтобетона. Наиболее разрушительное воздействие на асфальтобетон оказывает происходящее весной и осенью попеременное замораживание-оттаивание.
Многолетняя неизменность требований к прочности и водостойкости асфальтобетона являются одной из основных причин снижения долговечности
покрытий в условиях эксплуатации при ежегодно возрастающих транспортных
нагрузках. Непосредственной причиной снижения сроков службы покрытий
является возникновение и развитие различных деформаций: пластических в виде колей, волн, сдвигов; трещин, выбоин и других дефектов.
Наиболее распространенные пластические деформации развиваются на
дорожных покрытиях в теплый период года, когда сопротивление сдвигу асфальтобетона становится меньше транспортной нагрузки, действующей на покрытие при многократном проезде автомобилей. Сдвигоустойчивость асфальтобетона может быть повышена увеличением каркасности минерального остова, т. е. повышением количества щебня в минеральной части и увеличением до50
ли дробленых зерен. Кроме того, на показатель сдвигоустойчивости асфальтобетона положительно сказывается увеличение доли минерального порошка или
замена традиционного известнякового порошка на активированный. Но наиболее эффективным для повышения устойчивости асфальтобетона к пластическим деформациям является применение теплоустойчивых вяжущих,
т. к. именно по причине потери битумом теплоустойчивости и снижения его
вязкости в жаркие летние дни происходит резкое уменьшение сопротивления
сдвигу асфальтобетона.
Для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона используется несколько
методов испытаний:
— стандартный по ГОСТ 12801- 98 [78] метод Маршалла;
— метод сдвига, разработанный Ю. Е. Никольским, когда из цилиндрического образца асфальтобетона выдавливается его центральная часть [3];
— метод Г. Н. Кирюхина, предложившего определять значение угла внутреннего трения и сцепления по результатам испытания образцов на сжатие и по
методу Маршалла [3, 39].
В практических целях более сдвигоустойчивые составы асфальтобетона
косвенно можно охарактеризовать наиболее низким значением коэффициента
теплоустойчивости, который равен отношению R0/R50 или R20/R50.
Температурные трещины в асфальтобетонном покрытии появляются по
причине возникновения сильных растягивающих напряжений при быстром охлаждении покрытия зимой. При отрицательных температурах структурированный битум в асфальтобетоне становится хрупким, при этом резко снижается его
возможность деформироваться под влиянием транспортных нагрузок и температурных напряжений. Для повышения прочности асфальтобетона на растяжение и трещиностойкости покрытия при низких температурах можно применять
менее вязкие дорожные битумы, но это будет способствовать снижению сдвигоустойчивости асфальтобетона в летний период. Наиболее эффективно для
повышения деформативности асфальтобетона при низких зимних температурах
применять битумы, модифицированные полимерными материалами.
По действующему ГОСТ 9128-97 трещиностойкость асфальтобетона косвенно характеризуется показателем предела прочности при сжатии при 0 ºС не
более установленной величины в зависимости от марки асфальтобетонной смеси и дорожно-климатической зоны России, в которой происходит строительство покрытия.
Выбоины на дорожных покрытиях появляются в основном по окончании
зимнего периода, когда вода многократно замерзает при знакопеременных температурах и совместно с динамической транспортной нагрузкой постепенно
разрушает материал с выкрашиванием минеральных зерен, что заканчивается
образованием сначала мелких, а потом и более глубоких выбоин. Повышение
износостойкости покрытия возможно за счет улучшения адгезионных свойств
битума к минеральным зернам, применения мытых минеральных материалов
или с минимальным содержанием пылеватых и глинистых частиц, тщательного
51
уплотнения асфальтобетонной смеси, устройства поверхностных обработок и
защитных слоев покрытий.
Несмотря на значительное количество мер, направленных на улучшение
качества асфальтобетона, повышение долговечности дорожных покрытий в основном зависит от качества битума. Взаимодействие вяжущего и минеральных
материалов является главным фактором структурообразования в битумоминеральных материалах. С физико-химическими показателями применяемого вяжущего напрямую связаны важнейшие свойства асфальтобетона: деформационная устойчивость в летний период и деформативная способность в холодное
время года, коррозионная устойчивость при различных влажностных и температурных режимах, интенсивность процессов старения [1, 3, 6, 8, 18, 19, 21, 29].
Взаимодействие вяжущего и минеральных материалов проявляется на
различных уровнях структуры асфальтобетона, что наблюдается в хемосорбционных процессах, протекающих на границе раздела «вяжущее — минеральный
материал» с избирательной диффузией компонентов вяжущего в поры минерального материала, а также физической адсорбцией минеральным материалом
поверхностного слоя вяжущего.
Структура асфальтового вяжущего вещества может быть рассмотрена как
результат химического взаимодействия между компонентами битума и минерального материала. Механизм образования связей межу битумом и минеральным порошком определяется рядом факторов, в числе которых химическое
взаимодействие между щелочными и кислотными компонентами битума и минерального материала, а также механическими связями, зависящими от шероховатости и пористости поверхности частиц минерального порошка. Известно
[6, 42, 61], что химическими компонентами битума, обеспечивающими сцепление с минеральными материалами, являются нафтеновые углеводороды, обладающие природной кислотностью. В присутствии воды углеводородные молекулы поляризируются и пленки битума на минеральных зернах приобретают
отрицательный заряд. Поэтому минеральный порошок, полученный дроблением карбонатных пород, имеющих щелочной характер, взаимодействует с анионами битума с образованием устойчивых адгезионных связей. Минеральный
порошок, полученный на основе кислых пород, например на основе окиси
кремния, особенно в присутствии воды, не образует устойчивых связей с битумом. Аналогичные процессы протекают и при взаимодействии с щебнем, полученным из кислых пород.
Адсорбционная активность различается в 10 и более раз у горных пород с
кислыми и основными свойствами. Например, у известняка показатель составляет примерно 0,1 мг/г, а у гранита — 0,01 мг/г. Соответственно показатель
сцепления битума с минеральным материалом, определенный методом кипячения, с известняком в несколько раз будет выше, чем с кислым гранитом.
Таким образом, если минеральный порошок получен на основе основных
пород, то поверхность его частиц имеет битумофильный характер. Частицы
минерального порошка при этом адсорбируют легкую, мальтеновую часть би-
52
тума и в дальнейшем контакт между минеральными частицами происходит по
слою оболочки из асфальтено-смолистой части битума. Такие слои битумных
пленок наиболее стабильны в отношении возможных их изменений от температуры и обеспечивают прочные структурные связи в асфальтобетоне. Вышеуказанное может наблюдаться и при менее активной или битумофобной поверхности, но обязательно при наличии микропористой и микро трещиноватой структуре частиц вследствие инфильтрации мальтеновой части битума в глубь их.
Наибольшая адсорбция мальтеновой части битума происходит при размере пор
минеральных частиц в пределах 300—500 ангстрем [59]. На плотных и нешероховатых минеральных частицах с битумофобной поверхностью битумные
пленки состоят из почти неизменного по составу битума. Поэтому структурные
связи в асфальтобетоне с минеральным порошком с битумофобной поверхностью более чувствительны к воздействию температуры. Однако и в этом случае
минеральный порошок оказывает положительное влияние на структуру и свойства асфальтобетона, так как является мелким заполнителем для тех пор в минеральном остове, которые не заполнены песком.
Выполнен большой объём исследований о взаимосвязи свойств битумов и
асфальтобетонов на их основе [1, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 29, 30, 31, 52, 62, 67], в ходе
которых было установлено, что свойства битумов обусловливают реологический характер деформирования асфальтобетона в дорожном покрытии и такие
свойства асфальтобетонного покрытия, как сдвигоустойчивость, трещиностойкость, износостойкость.
Исследованиями А. В. Руденского [8, 65, 66, 67] было установлено, что в
процессе эксплуатации асфальтобетона в дорожном покрытии основные параметры свойств материала претерпевают как обратимые, так и необратимые изменения, связанные с колебаниями температуры, процессами старения и усталости асфальтобетона и другими факторами. Указанными исследованиями было установлено, что значения модуля упругости асфальтобетона могут изменяться в десятки раз, а значения вязкости в тысячи раз в зависимости от режима
воздействия эксплуатационных нагрузок, что обусловлено изменением структуры и показателей свойств битумов в асфальтобетоне.
Рассмотрим взаимосвязь между важнейшими строительно-эксплуатационными свойствами асфальтобетона в покрытии и свойствами битумов.
Применение теплоустойчивых битумов является главным фактором повышения сдвигоустойчивости асфальтобетона. Теплоустойчивые битумы отличаются тем, что они в меньшей степени подвержены изменению показателей
вязкости и когезии в диапазоне эксплуатационных температур. Показатель вязкости достаточно полно характеризует и реологические свойства битума. В
практических целях вязкость характеризуют условным показателем — глубиной
проникания иглы для вязких битумов и временем истечения для жидких битумов. В практике дорожной отрасли для более полной оценки вязкости битума
при высокой температуре используют показатель температуры размягчения, который характеризует переход битума из вязко-пластичного состояния в вязкое.
53
Трещиностойкость асфальтобетонов на вязких битумах определяется
упруго-вязкими свойствами битумов, степенью их стабильности при эксплуатации в покрытии. Упруго-вязкие свойства характеризуются вязкостью битума при низких температурах, которую при 0 °С оценивают глубиной проникания иглы, а при отрицательных температурах проводят по параметру температуры хрупкости по Фраасу, которая характеризует переход битума в упругохрупкое состояние. Дополнительной характеристикой упруго-вязких свойств
битума является его растяжимость, определяемая на дуктилометре. Многолетние исследования показывают, что с понижением вязкости и увеличением растяжимости битума повышается деформативность асфальтобетона, в связи с
чем в ГОСТ 9128-97 [76] включены рекомендации по применению в первой и
второй дорожно-климатических зонах России менее вязких битумов марок
БНД (БН) 130/200 и, соответственно, БНД (БН) 90/130. Для более теплых
третьей и четвертой дорожно-климатической зоны исходя из выше указанных
соображений рекомендуется применение более вязких битумов марок БНД
(БН) 60/90 и соответственно БНД (БН) 40/60.
Износостойкость асфальтобетона зависит в основном от адгезионных
свойств битумов к минеральным материалам и устойчивости этих свойств во
времени. Адгезионные свойства битумов являются одним из важнейших условий, обеспечивающих прочное и устойчивое сцепление битума с минеральными материалами. Это является необходимым условием для получения долговечных и водоустойчивых асфальтобетонов. Состав и физико-химические свойства битума почти в абсолютной мере определяют водо- и морозостойкость асфальтобетона.
На основании большого количества исследований [2, 3, 6, 7, 8, 44, 45] и
значительного опыта применения были сформулированы основные требования,
предъявляемые к битуму, как органическому вяжущему материалу в асфальтобетоне:
- битум должен обладать высокими адгезионными свойствами к минеральным материалам. Функции битума как органического вяжущего материала
заключаются в том, чтобы обеспечивать роль связывающего элемента в асфальтобетоне, образуя в смеси с минеральными материалами прочную монолитную
структуру. Недостаточные адгезионные свойства вяжущего являются причиной
низкой износостойкости асфальтобетона, что приводит к образованию выбоин,
шелушению и быстрому износу покрытия;
- битум должен обладать необходимой теплостойкостью и деформативными характеристиками во всем годовом диапазоне температур, который может достигать 100 °С и более, поскольку покрытие в жаркий летний период разогревается до 60—70 ° С, а в зимнее время охлаждаться до -30… -40 °С. Недостаточная теплостойкость и деформативные характеристики вяжущего в асфальтобетоне приведут к образованию в летнее время пластических деформаций — колей, волн, сдвигов, а в зимнее время температурных трещин на покрытии автомобильной дороги;
54
- битум должен обладать стабильностью свойств во времени, т. е. в течение всего срока эксплуатации в покрытии быть устойчивым к старению под
воздействием климатических факторов.
Проанализируем, как дорожный битум справляется с указанными задачами.
Механизм образования адгезионных связей определяется рядом факторов, наиболее значимым из которых является фактор химического взаимодействия между кислотными и щелочными компонентами битума и минеральным
материалом. Химическими компонентами битума, обеспечивающими адгезионные свойства, являются нафтеновые углеводороды, обладающие природной
кислотностью (анионоактивностью). Поэтому битум обладает, как правило, хорошей адгезией к поверхности минеральных материалов основных пород,
имеющих щелочной характер. Материалы, имеющие кислую поверхность, например кварцевые пески и гранит, не образуют устойчивых связей с функциональными группами анионного типа битума. В присутствии воды углеводородные молекулы ионизируются, и пленки битума приобретают отрицательный заряд, что еще более ослабляет связи битума с материалами, имеющими кислую
поверхность. Такая химическая несовместимость битума с кислым каменным
материалом при воздействии воды в процессе эксплуатации битумоминерального материала в покрытии может приводить как к полному, так и частичному
отслаиванию пленок вяжущего с минеральной поверхности [2].
Рассмотрим, как битум справляется со второй задачей — обеспечением
прочностных и деформативных характеристик битумоминерального материала
во всем диапазоне эксплуатационных температур. При высоких положительных
температурах окружающей среды битум является недостаточно теплоустойчивым, что приводит к формированию пластических деформаций на асфальтобетонных покрытиях. Нормированная ГОСТ 22245-90 температура размягчения
вязких битумов находится на уровне 35—51 °С (в зависимости от марки), что
является явно недостаточным для обеспечения требуемой устойчивости асфальтобетона против образования пластических деформаций.
При низких отрицательных температурах, до -30…-40 °С в зимнее время,
битумы становятся хрупкими. Так, например, если действующий ГОСТ 22245-90
допускает применение битума марки БН 60/90 с температурой хрупкости по
методу Фрааса до -6 °С и ненормированной растяжимостью при 0 °С, то, очевидно, такой битум не в состоянии обеспечить требуемую трещиностойкость
асфальтобетонного покрытия. При многократном воздействии динамических
нагрузок, температурных перепадах в условиях увлажнения, замораживания и
оттаивания на асфальтобетонном покрытии образуются хорошо видимые температурные трещины, а также микротрещины в битумных пленках в объеме
асфальтобетона. Это приводит к нарушению монолитности слоя покрытия,
что облегчает доступ воды в поры и микропоры асфальтобетона, и в дальнейшем к развитию повреждений покрытия в виде выкрашивания и выбоин. Это
является одной из основных причин снижения сроков службы асфальтобетонных покрытий.
55
Таким образом, битум недостаточно теплоустойчив и трещиностоек, чтобы обеспечить требуемую долговечность асфальтобетонных покрытий.
Проанализируем, как битум сохраняет свои свойства во времени, т. е. насколько битум устойчив к старению под воздействием технологических и эксплуатационных факторов. Битумы, выпускаемые на нефтеперерабатывающих
заводах России, относятся к окисленным и характеризуются недостаточной устойчивостью к старению, что объясняется, в первую очередь, особенностью
технологии их производства. Технологические операции по приготовлению асфальтобетонных смесей, проводимые при высоких температурах и свободном
доступе воздуха, приводят к изменению структуры и свойств битума в результате реакций окислительной полимеризации и конденсации. При воздействии
технологических температур в процессе приготовления и при транспортировке
асфальтобетонных смесей, а также последующей эксплуатации в покрытии такой битум быстро стареет, что приводит, прежде всего, к формированию в нём
жесткой коагуляционной сетки асфальтенов и, как следствие, повышению
хрупкости битумных пленок. Это ускоряет процесс развития повреждений на
асфальтобетонных покрытиях, обусловленных разрушением битумных пленок
в асфальтобетоне за счет возникновения локальных перенапряжений.
Из приведенного анализа следует, что для повышения качества битумов,
применяемых в дорожном строительстве, необходимо:
- значительное понижение температуры хрупкости вяжущего до температур, как минимум, -25….-30 °С. Температура хрупкости вяжущего должна
быть не выше зимних расчетных температур покрытия с тем, чтобы при достижении этих температур битумная пленка не становилась бы хрупкой;
- повышение растяжимости вяжущего, особенно при низких температурах. Следует стремиться к более высоким значениям указанного показателя с
тем, чтобы при наиболее холодной температуре воздуха вяжущее сохраняло бы
необходимую работоспособность;
- повышение теплостойкости вяжущего. Температура размягчения вяжущего должна быть не ниже значений, необходимых для обеспечения требуемой теплостойкости и сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия;
- улучшение адгезионных свойств, особенно к минеральным материалам
кислых пород. Адгезионные свойства вяжущего должны быть такими, чтобы
обеспечить необходимую длительную водостойкость асфальтобетона;
- повышение стабильности свойств вяжущего во времени с тем, чтобы
обеспечить длительную эксплуатацию асфальтобетона или другого битумоминерального материала в покрытии.
Применяемые в настоящее время традиционные технологии получения
окисленных битумов на нефтеперерабатывающих заводах России не позволяют
обеспечивать массовое производство битумов с необходимыми качественными
характеристиками, требуемыми для обеспечения качества асфальтобетона. Поэтому основным направлением получения высококачественных дорожных асфальтобетонов, обладающих повышенными эксплуатационными показателями,
56
является применение в их составе модифицированных нефтяных битумов, что
позволит обеспечить повышение сдвигоустойчивости, трещиностойкости и износостойкости дорожных покрытий.
Асфальтобетон как термопластичный материал обладает сложным комплексом физико-механических и реологических свойств, в значительной степени зависящих от температуры, состава минеральной части смеси и свойств
применяемого вяжущего [2, 8, 13, 67]. Как было указано ранее, наилучшим
комплексом деформационно-прочностных свойств обладают асфальтобетоны,
полученные с применением модифицированных вяжущих на основе добавок
синтетических каучуков типов СКД, СКС-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-15,
СКС-30 АРКМ-27, а также бутадиен-стирольных термоэластопластов ДСТ 30-01
(ДСТ 30Р-01), свойства которых описаны [7].
В качестве примера рассмотрим физико-механические показатели плотных горячих щебенистых асфальтобетонов типа А (каркасной структуры) и типа Б (полукаркасной структуры) на основе традиционного нефтяного битума
марки БНД 60/90 и модифицированного битума, полученного с применением
добавок синтетических каучуков или термоэластопластов. Составы плотных
асфальтобетонов типа А и Б были подобраны в соответствии с требованиями
ГОСТ 9128-97 [76].
Содержание каучука в модифицированном вяжущем составляло 2,0; 2,5;
3,0 % по массе, а при использовании в качестве модификатора ДСТ 30-01 приготовленное полимерно-битумное вяжущее содержало 3,5 % полимерной добавки и 7 % пластификатора – индустриального масла в исходном битуме марки БНД 60/90. Вяжущее, полученное на основе ДСТ 30-01, отвечало требованиям ГОСТ 52056 – 2003 для марки ПБВ 60. Контрольная смесь одинакового гранулометрического состава приготовлена на БНД 60/90. Результаты определения
показателей физико-механических свойств модифицированного и традиционного асфальтобетона типов А и Б приведены на рис. 2.1—2.4, а также в табл. 2.5
и соответственно табл. 2.6, табл. 2.7 [7].
Применение модификаторов незначительно влияет на физические показатели асфальтобетона (среднюю плотность, водонасыщение), но очень значительно на механические и деформативно-прочностные показатели материала
как каркасной, так и полукаркасной структуры. Прочность асфальтобетона в
области повышенных температур (при 50 0С) улучшается в 1,1—1,5 раза.
Наиболее эффективным для повышения указанного показателя асфальтобетона является применение каучука типа СКС-30 АРКМ-15 при содержании
модификатора в вяжущем в количестве 2,5-3 % по массе. Применение модификаторов практически в 1,5 раза повышает предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона (определенного по методу Никольского) в сравнении с
контрольным составом (рис. 2.4). Применение модификатора термоэластопласта ДСТ 30-01 не менее эффективно в сравнении с каучуками и позволяет увеличить показатель прочности асфальтобетона при 50 0С и предел его прочности
при сдвиге.
57
Предел прочности при сжатии
при 0°С, МПа
12
11,5
11
10,5
СКД
СКС-30 АРКПН
СКС-30 АРКМ-27
СКС-30 АРКМ-15
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
содержание каучука в вяжущем, % по массе
Предел прочности при сжатии при 50°С,
МПа
Рис.2.1. Зависимость предела прочности при сжатии при 0 0С
модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
СКД
СКС-30 АРКПН
СКС-30 АРКМ-27
СКС-30 АРКМ-15
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
содержание каучука в вяжущем, % по массе
Рис. 2.2. Зависимость предела прочности при сжатии при 500С
модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
58
11
Коэффициент т.ч.
10
9
СКД
СКС-30 АРКПН
СКС-30 АРКМ-27
СКС-30 АРКМ-15
8
7
6
5
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
содержание каучука в вяжущем, % по массе
Рис. 2.3. Зависимость коэффициента температурной чувствительности
модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
Предел прочности при сдвиге при 50°С
(Никольский), МПа
3,2
3
2,8
СКД
СКС-30 АРКПН
СКС-30 АРКМ-27
СКС-30 АРКМ-15
2,6
2,4
2,2
2
2
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3
содержание каучука в вяжущем, % по массе
Рис. 2.4. Зависимость предела прочности при сдвиге (по методу Никольского)
модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип А)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
59
Таблица 2.5
20
50
7,65
11,64
9,46
10,55
9,72
12,77
11,64
12,34
11,56
10,37
14,71
11,72
9,60
11,59
3,37
4,90
4,00
3,90
4,75
4,08
5,12
4,87
5,12
3,95
5,72
4,53
5,03
3,83
1,35
1,51
0,93
1,17
1,20
1,05
1,22
1,75
1,41
1,38
1,30
1,18
1,83
0,98
Предел прочности
при сдвиге, при 50 0C
(по методу
Никольского)
1,36
1,17
1,68
1,39
1,47
1,35
1,33
1,72
1,26
1,27
1,57
1,82
1,48
1,69
0
Предел прочности
при сдвиге, при 50 0C
(по методу Маршала)
2,43
2,43
2,42
2,43
2,43
2,43
2,43
2,43
2,43
2,43
2,42
2,43
2,43
2,43
Предел прочности
при сжатии, при t,0C
Коэффициент
водостойкости
60
1. СКД 3 %
2. СКД 2,5 %
3. СКД 2 %
4. СКС-30 АРКПН 3 %
5. СКС-30 АРКПН 2,5 %
6. СКС-30 АРКПН 2 %
7. СКС-30 АРКМ-27 3 %
8. СКС-30 АРКМ-27 2,5 %
9. СКС-30 АРКМ-27 2 %
10. СКС-30 АРКМ-15 3 %
11. СКС-30 АРКМ-15 2,5 %
12. СКС-30 АРКМ-15 2 %
13. ДСТ 30-01 — 3,5 %
14. БНД 60/90 (без модификатора)
Водонасыщение,
% по массе
Наименование
и содержание
модификатора в вяжущем
Средняя плотность,
г/см3
Физико-механические свойства асфальтобетона каркасной структуры (типа А)
на модифицированном и традиционном битуме
1,00
0,98
0,98
1,00
0,90
1,00
1,00
1,00
0,98
1,00
0,75
1,00
0,91
0,98
5,89
5,98
4,90
6,82
5,40
5,06
5,85
5,39
5,17
5,89
5,52
5,21
6,67
5,00
2,95
2,46
2,15
2,97
2,59
2,28
2,91
2,72
2,17
3,02
2,90
2,58
2,51
1,94
Таблица 2.6
Водонасыщение, % по массе
Коэффициент водостойкости
Предел прочности при сдвиге,
при 50 0C (по методу Маршала)
Предел прочности при сдвиге,
при 50 0C (по методу Никольского)
61
Средняя плотность, г/см3
Физико-механические свойства асфальтобетона полукаркасной структуры (типа Б)
на модифицированном и традиционном битуме
1. БНД 60/90
(без модификатора)
2,42
1,39
6,40
3,5
1,07
1,00
4,68
2,43
2. ДСТ 30-01 — 3,5 %
2,42
1,32
7,38
4,68
1,73
0,89
6,15
2,70
3. СКД 2,5 %
2,41
1,78
11,69
6,28
1,47
0,91
5,66
2,66
4. СКС-30 АРКПН 2,5 %
2,41
2,25
14,75
6,78
1,23
1,00
5,01
2,21
5. СКС-30 АРКМ-27 2,5 %
2,41
1,43
10,38
4,9
1,35
1,00
5,15
2,62
6. СКС-30 АРКМ-15 2,5 %
2,42
1,70
11,46
5,77
1,34
0,99
6,26
3,05
Наименование
и содержание
модификатора
в вяжущем
Предел прочности при
сжатии, при t, 0C
0
20
50
Таблица 2.7
ГОСТ 9128-97
тип Б I марки II, III ДКЗ
Не
норм.
1,5÷4,0
1,15
2,73
1,22
3,99
1,25
3,28
1,38
3,25
1,20
3,69
1,40
4,3
1,48
3,6
1,50
3,53
1,38
4,1
1,58
4,52
1,60
3,7
1,71
3,98
Не
Не
Не
менее менее
норм.
2,5
1,2
0
6,10
0,95
6,70
0,95
6,05
0,95
6,4
1,0
7,53
0,95
7,59
0,95
6,80
0,98
6,17
1,05
7,94
0,97
6,73
1,0
6,50
1,3
6,51
1,0
Не
Не
более менее
0,90
11,0
Предел прочности
при сдвиге, R50сдв, МПа
по методу Никольского
0,27
0,30
1,10
0,20
0,23
0,15
0,20
0,08
0,20
0,10
0,10
0,10
20
температурной чувствительности,
R0/R50
4,10
2,13
2,20
2,80
3,59
2,33
1,53
1,96
2,60
2,17
1,03
2,43
50
Коэффициенты
водостойкости при
длительном водонасыщении
Набухание, % по объему
2,36
2,39
2,41
2,39
2,35
2,39
2,39
2,38
2,35
2,37
2,40
2,38
Предел прочности при
сжатии, МПа, при t,°С
водостойкости
Водонасыщение, %
по объему
БНД 90/130
БКВ 90/130 (2 % СКС)
БКВ 90/130 (2,5 % СКС)
БКВ 90/130 (3 % СКС)
БНД 60/90
БКВ 60/90 (2 % СКС)
БКВ 60/90 (2,5 % СКС)
БКВ 60/90 (3 % СКС)
БНД 40/60
БКВ 40/60 (2 % СКС)
БКВ 40/60 (2,5 %СКС)
БКВ 40/60 (3 % СКС)
Применяемое вяжущее,
содержание каучука
в вяжущем %
62
Средняя плотность, г/см3
Физико-механические свойства асфальтобетона типа Б на основе БНД и БКВ
с различным содержанием каучука СКС- 30 АРКМ-15
0,80
0,82
0,85
0,85
0,75
0,84
0,90
0,95
0,89
0,91
0,94
1,00
Не
менее
0,85
5,50
5,50
4,84
4,6
6,27
5,42
4,59
4,11
5,75
4,26
4,06
3,8
2,18
3,25
3,60
4,0
3,18
3,32
3,90
4,57
3,30
3,54
4,10
4,54
Не
норм.
Не
норм.
Рассматривая влияние модифицирующих добавок на физикомеханические показатели асфальтобетона полукаркасной структуры типа Б,
(см. табл. 2.6—2.7), можно отметить, что наиболее значительно предел прочности при 50 0С позволяет повысить применение ДСТ 30-01 или каучука СКД.
Применение указанных добавок позволяет повысить прочность при 50 оС в
1,4—1,7 раза, а предел прочности при сдвиге на 10—15 % в сравнении с контрольным составом традиционного асфальтобетона типа Б.
Положительное влияние модифицирующих добавок отмечается и на показатель прочности асфальтобетона как каркасной, так и полукаркасной структуры при 0 0С в сравнении с традиционным составом на вязком битуме, но в
меньшей степени, чем в области высоких температур. Это, вероятно, можно
объяснить особенностью структуры щебенистого асфальтобетона, в котором в
силу преимущественного содержания крупных частиц меньше удельная поверхность наполнителя и поэтому структурированные битумные пленки отличаются большей толщиной в сравнении с песчаными асфальтобетонами. Таким
образом, при температуре 0 0С традиционный вязкий битум позволяет обеспечить соответствие требуемого по ГОСТ 9128-97 показателя предела прочности
при сжатии для рассматриваемого асфальтобетона как каркасной, так и полукаркасной структуры.
2.2. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И МОДИФИКАЦИЯ
ХОЛОДНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Xолодный асфальтобетон является искусственным строительным материалом конгломератной структуры, состоящим из смеси минеральных материалов, объединенных жидким битумным вяжущим, полученным разжижением
вязких нефтяных битумов различными растворителями [2, 3, 7]. Приготовление
холодной асфальтобетонной смеси проводится по горячей технологии, но в
сравнении с горячими смесями при более низкой температуре — 105…120 ºС.
Укладка холодной асфальтобетонной смеси в покрытие выполняется в холодном виде при температуре не ниже +5 ºС.
Одной из характерных особенностей холодного асфальтобетона, отличающих его от горячих материалов, является способность оставаться рыхлым в
течение длительного срока – до 6 месяцев после приготовления. Эта особенность холодного асфальтобетона создает большие удобства в практике строительства и ремонта покрытий и, кроме того, позволяет его укладывать и затем
уплотнять холодную смесь тонкими слоями по 1,0—1,5 см. Эти положительные
стороны холодного асфальтобетона зарекомендовали его отличным ремонтным
материалом для дорожных покрытий.
Способность холодной асфальтобетонной смеси оставаться в рыхлом виде, не комковаться определяет возможность его применения и служит одним из
решающих показателей качества материала. Для оценки возможности длитель-
63
ного хранения смеси введен показатель слеживаемости, определяемый по количеству ударов на стандартном приборе для разрушения образца холодного асфальтобетона. Холодный асфальтобетон с низкой слеживаемостью даже после
длительного хранения не образует комьев и легко поддается рыхлению.
Для снижения слеживаемости холодной асфальтобетонной смеси её предварительно охлаждают до складирования. При укладке в штабель необходимо,
чтобы высота не превышала 1,5 м. Смеси, содержащие жидкого битума меньше
оптимального количества по физико-механическим показателям, меньше слеживаются, но это может отрицательно повлиять на водонасыщение холодного
асфальтобетона и тем самым понизить долговечность покрытия.
Холодный асфальтобетон является одним из наиболее сложных строительных материалов. Это обусловлено не только значительным количеством
входящих в его состав компонентов, но и сложностью физико-химических процессов, происходящих при их объединении. В связи с использованием менее
вязких битумов для обеспечения требуемой прочности холодного асфальтобетона в его состав вводится большее количество минерального порошка, что
обуславливает в материале формирование тонких слоев структурированных битумных пленок.
Ранее проведенные исследования показали, что холодный асфальтобетон
относится к материалам с коагуляционной структурой и ярко выраженными
вязкопластическими свойствами [2]. Последнее обусловлено тем, что сцепление частиц в коагуляционных структурах осуществляется через тонкие прослойки жидкой среды. Прямые контакты между твердыми частицами минерального остова отсутствуют, и слабые межмолекулярные силы сцепления обусловливают прочность всего материала. Следовательно, толщина структурированных битумных пленок и их свойства являются определяющими. Поэтому
взаимодействие жидкого битума с поверхностью минеральной части является
одним из главных факторов, определяющих свойства холодного асфальтобетона. Особенно это сказывается на водостойкости, так как в начальный период
формирования покрытия из холодной смеси материал обладает большой пористостью, что способствует его насыщению водой и создаёт условия для отслаивания пленок вяжущего.
Необходимую прочность холодный асфальтобетон приобретает постепенно, по мере улетучивания растворителя из жидкого битума и под уплотняющим действием транспортной нагрузки. Известно, что прочность асфальтобетона определяется сцеплением его частиц между собой и внутренним трением между ними [2, 20, 25, 31]. При этом угол внутреннего трения асфальтобетона изменяется очень мало под воздействием температуры и несколько больше в зависимости от количества вяжущего в смеси. С точки зрения повышения
прочности и теплоустойчивости холодного асфальтобетона сцепление его частиц между собой представляет больший интерес, чем угол внутреннего трения.
Сцепление частиц асфальтобетона зависит главным образом от вязкости битума, его когезии (сцепления между битумными пленками) и адгезии к минераль-
64
ным материалам. Для приготовления традиционных холодных смесей применяют жидкие битумы (по ГОСТ 11955-82), отличающиеся вследствие малой
вязкости и наличия растворителя малой величиной когезии.
В настоящее время в дорожном строительстве основным способом приготовления жидкого битума является разжижение вязких битумов различными
разжижителями — лигроином, керосином, соляровым маслом, мазутом и др.
Технологический процесс приготовления жидкого битума состоит из следующих операций:
- нагрева вязкого битума в битумном котле, снабженном системой обогрева до температуры 100 °С для получения жидких битумов класса БГ и 120 °С
для классов СГ и МГ;
- подачи разжижителя в котел и перемешивания его с вязким битумом
при соответствующих пропорциях при помощи циркуляции и др. способами;
- выдачи готового жидкого битума.
Применяемые для приготовления жидкого битума вязкие окисленные битумы марок БН и БНД по ГОСТ 22245-90, как правило, характеризуются недостаточными адгезионными свойствами. Наличие разжижителя значительно снижают и без того недостаточное сцепление вязкого исходного битума с минеральной поверхностью. К тому же приготовление холодных смесей происходит
при более низких температурах в сравнении с горячими асфальтобетонными
смесями, что также влияет на величину адгезионных свойств жидкого битума к
минеральным материалам. Таким образом, низкие адгезионные и когезионные
свойства жидких битумов приводят к низкой прочности, водостойкости и недостаточной устойчивости холодного асфальтобетона при высоких положительных температурах.
Традиционно для повышения физико-механических свойств холодного асфальтобетона в качестве минеральных материалов использовали известняковые
материалы, позволяющие обеспечить хорошее сцепление с жидким битумом даже при низких температурах приготовления холодных смесей. Однако холодные
покрытия на известняковых материалах быстро полируются, приобретая гладкую поверхность с низкими сцепными свойствами. Этот недостаток устраняют
введением в состав смеси до 20—25 % гранитных высевок не крупнее 10 или
15 мм, т. к. более крупный щебень ухудшает формирование слоя покрытия.
Улучшение гранулометрического состава холодных смесей, повышение количества минерального порошка незначительно улучшают вышеуказанные свойства холодного асфальтобетона. И даже наоборот, чрезмерное количество минерального порошка приводит к формированию очень тонких пленок, которые по
мере увеличения вязкости жидкого битума в процессе эксплуатации за счет испарения разжижителя ещё более истончаются, что приводит к ускоренному старению дорожного покрытия. Подвергаясь воздействию климатических факторов,
через 3—4 года эксплуатации в покрытии очень тонкие битумные пленки в холодном асфальтобетоне становятся хрупкими, интенсивно стареют, что приводит
к накоплению деформаций и преждевременному разрушению покрытий.
65
Для улучшения качества покрытий и увеличения объёма применения холодных асфальтобетонных смесей необходимо повысить прочность и теплоустойчивость холодного асфальтобетона, улучшить коррозионную стойкость (водостойкость), что можно сделать, в первую очередь, за счет улучшения свойств
жидких битумов.
Применяемые в настоящее время традиционные технологии получения
окисленных битумов на нефтеперерабатывающих заводах России не позволяют
обеспечивать массовое производство исходного материала для получения жидких битумов с необходимыми характеристиками качества. Основным направлением получения высококачественных вяжущих для холодных асфальтобетонных смесей является модификация жидких нефтяных битумов, которая позволит обеспечить требуемые характеристики жидкого вяжущего, что обеспечит необходимую сдвигоустойчивость, трещиностойкость и износостойкость
холодного асфальтобетона.
Для модификации жидких битумов необходим способ, позволяющий не
только ввести полимер в жидкий битум, но и получить вяжущее с необходимой
условной вязкостью. Вводя в вышеуказанный технологический процесс получения традиционного жидкого битума изменение в виде замены разжижителя
на раствор полимера, можно получить жидкое битумно-полимерное вяжущее с
условной вязкостью, соответствующее маркам традиционных жидких битумов,
но отличающееся улучшенными свойствами вследствие присутствия полимера.
Полимерная добавка, вводимая в битум в виде раствора, позволяет улучшить
физико-механические свойства холодного асфальтобетона, а применяемый при
приготовлении раствора полимера разжижитель — получить жидкий битум с
необходимой вязкостью [7].
Проведенные исследования [7] показали, что основной задачей подбора
параметров раствора полимера является определение необходимого количества
растворителя, обеспечивающего полное растворение высокомолекулярного соединения. Было отмечено, что после введения полимера в битум в состоянии
межмолекулярного раздробления дополнительное применение растворителя не
требуется, а его избыток даже нежелателен для свойств получаемого вяжущего.
Указанными исследованиями были подобраны вязкостные характеристики растворов каучуков типов СКД, СКС, СКИ и дивинилстирольного термоэластопласта и определен технологический режим приготовления раствора полимера
(температура и время перемешивания) для достижения полной однородности
раствора. В качестве основного растворителя был принят наиболее эффективный и доступный — керосин для технических целей.
Для приготовления раствора полимера могут использоваться как двухкомпонентные составы (полимер и растворитель), так и трехкомпонентные (полимер, растворитель, разжижитель). При этом количество растворителя (или
растворитель + разжижитель) должно быть таково, чтобы условная вязкость
раствора, определенная по истечению 50 мл через отверстие диаметром 5 мм,
не превышала предела 1000 с для обеспечения возможности его перекачки на-
66
сосами при производственном применении. Наиболее простым технологическим приемом получения раствора высокомолекулярного соединения является
использование двухкомпонентных растворов полимеров в техническом керосине. Для подбора технологических параметров были приготовлены растворы
каучуков СКД, СКС, СКИ различной концентрации и определена их условная
вязкость. Установлено специфическое влияние типа каучука на условную вязкость раствора при одинаковой концентрации полимера. Так, изопреновый каучук (СКИ) в растворе керосина имеет наибольшую условную вязкость. Дивиниловый каучук (СКД) в растворе керосина проявляет меньшую вязкость. Наименее вязкими в растворе керосина являются стирольные каучуки [7].
Для определения технологических параметров приготовления жидких битумно-каучуковых вяжущих были приготовлены составы жидких битумов на основе растворов каучуков СКС, СКД, СКИ различной концентрации. Количество
добавки каучука, в пересчете на сухое вещество, составляло 3 ÷ 4 %. Исходный
битум нагревали до температуры 100˚С, раствор каучука в керосине — до
60—80 ˚С, после дозировки по массе компоненты перемешивались. Через определенное время перемешивание прекращалось и производись отбор и испытание проб. Время перемешивания определялось по достижению однородности
вяжущего, определяемой с помощью стеклянной палочки. Было установлено,
что на однородность вяжущего наиболее значительно влияют температура и
время перемешивания. Скорость вращения мешалки менее значимо влияет на
однородность.
Жидкое битумно-полимерное вяжущее подбирается по его условной вязкости. Для этого в одинаковое исходное количество вязкого битума вводились
растворы каучуков в керосине — СКД, СКС, СКИ — 10 и 12 % концентрации в
количестве, необходимом для содержания в вяжущем сухого каучука 3; 3,5; 4 %
по массе. Проведенными исследованиями [7] установлено, что для достижения
условной вязкости применительно к жидкому вяжущему марки 130/200 на основе каучуков СКД, СКИ необходимо ввести в битум БНД 60/90 раствор каучука 10 % концентрации и провести дополнительно очень незначительное разжижение керосином. Применительно к марке вяжущего 130/200 на каучуке
СКС концентрация раствора должна быть 12 % с последующим разжижением
керосином.
Для приготовления и исследования жидкого вяжущего на основе ДСТ
был использован двухкомпонентный раствор полимера в керосине. Были приготовлены растворы ДСТ в керосине 12, 15 и 20 % концентрации и на их основе
были получены жидкие полимерно-битумные вяжущие, содержащие 3,5 % ДСТ
в пересчете на сухое вещество. Время перемешивания компонентов жидкого
ПБВ составило 20—30 мин. По окончании перемешивания все приготовляемые
составы жидкого вяжущего были однородны. Вяжущее, полученное на основе
раствора ДСТ в керосине 10—12 % концентрации, имеет условную вязкость
70—92 с, что соответствует марки жидких битумов СГ 70/130, а при 15 % концентрации условная вязкость — 145 с, что соответствует марке СГ 130/200. При
67
дальнейшем повышении концентрации ДСТ в керосине показатель условной
вязкости вяжущего резко возрастает. Проведенные экспериментальные исследования показали, что при применении растворов ДСТ в керосине 10—15 %
концентрации для разжижения вязкого битума можно получить жидкое вяжущее, которое по величине условной вязкости пригодно для приготовления холодных смесей [7].
С учетом полученных результатов исследований по подбору параметров
растворов термоэластопласта ДСТ и синтетических каучуков, были приготовлены жидкие модифицированные битумы марки СГ 130/200 с содержанием 4 %
по массе добавки полимера. Физико-механические показатели жидких битумно-полимерных вяжущих на основе ДСТ и каучука СКС приведены в табл. 2.8.
В качестве контрольного состава был использован жидкий битум марки
СГ 130/200, полученный путем разжижения керосином исходного БНД 60/90.
Физико-механические показатели жидкого модифицированного битума марки
130/200 на основе каучуков СКС, СКД, СКИ с различным содержанием каучука
в вяжущем показаны в табл. 2.9.
Таблица 2.8
Физико-механические показатели модифицированных жидких битумов
Жидкий битум,
полученный
разжижением
исходного БНД 60/90
1. Условная вязкость по
вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 °С,
сек
2. Количество испарившегося разжижителя, %
3. Температура размягчения остатка после определения количества
испарившегося разжижителя, °С
4. Сцепление с кварцевым песком
Требования ГОСТ
11955-82
для жидкого битума
СГ 130/200
Наименование
показателя
Жидкий
модифицированный
битум
(4 % полимера
по массе)
131-200
167
182
188
Не менее 7,0
10,1
19,8
15,9
Не ниже 39
40,5
45
61
Выдерж. по
образцу № 2
К. о. № 2
К. о. № 2
К. о. № 2
68
СКС-30
АРКМ-15
ДСТ
30-01
Таблица 2.9
69
1. Условная вязкость
по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 °С, с
2. Количество испарившегося разжижителя, %
167
10,1
Жидкое битумно-полимерное вяжущее
3,0
3,5
4,0
3,0
3,5
4,0
3,0
3,5
4,0
Требования ГОСТ
11955-82 для СГ
130/200
Наименование
показателя
Жидкий битум
СГ 130/200,
контрольный
Физико-механические показатели жидких битумно-полимерных вяжущих
на основе каучуков типа СКС, СКД, СКИ
173
180
182
180
170
180
193
187
181
131-200
25,0
Не
менее
7,0
45
46
Не
ниже
39
Обр.
№2
Обр.
№2
СКС
СКД
СКИ
Содержание каучука в вяжущем, % массе
6,7
3. Температура размягчения
остатка после определения
количества испарившегося
разжижителя, °С
40,5
42,5
4. Сцепление с кварцевым
песком (по ГОСТ 11508-74)
Выд. по
обр. № 2
Обр.
№2
14,2
44
19,8
45
Обр. Обр
№2 №2
18,2
19,9
41,5
43,5
Обр.
№2
Обр.
№2
23,6
45
14,2
43,5
Обр. Обр
№2 №2
20,5
Жидкие модифицированные битумы отличаются от традиционного вяжущего повышенной температурой размягчения остатка после удаления разжижителя. В наибольшей степени это установлено для жидкого модифицированного
битума на основе ДСТ, где температура размягчения возросла на 20,5 °С. Влияние каучуков на указанный показатель вяжущего значительно меньше. Так, рост
температуры размягчения остатка при применении синтетических каучуков составил 2—4,5 °С. Вид и количество полимерной добавки в вяжущем значительно
влияют на количество испарившегося разжижителя. Так, максимальное количество испарившегося разжижителя отмечается при введении 3,5—4 % полимера и
наиболее значительно при применении каучуков типа СКД, СКИ. Меньшее количество испарившегося разжижителя установлено при применении каучука
СКС в количестве 3—3,5 % по массе [7].
Для ответа на вопрос, каков же механизм влияния полимеров на структуру и свойства жидкого битума кратко остановимся на ранее проведенных исследованиях разжиженных нефтяных битумов.
В отношении разжиженных нефтяных битумов вопросы их структурообразования, а также зависимости свойств от структурообразующих факторов исследованы недостаточно. Современные представления о направленном структурообразовании жидких битумов базируются на исследованиях проведенных в
60-70-х годах А. С. Колбановской, В. В. Михайловым и др. исследователями.
Согласно А. С. Колбановской [42], введение небольшого количества разжижителя в битум І структурного типа с коагуляционным каркасом из асфальтенов
приводит к частичной пластификации межкаркасной дисперсионной среды. Однако этого количества разжижителя недостаточно, чтобы нарушить взаимодействие между асфальтенами и, следовательно, привести к разрушению асфальтенового каркаса. При увеличении концентрации разжижителя в указанном типе битума
происходит разрушение структурного каркаса асфальтенов, что сопровождается
резким снижением вязкости, и дальнейшее повышение количества разжижителя
превращает битум в разбавленную суспензию асфальтенов. В битуме ІІІ структурного типа происходят аналогичные вышеуказанному явления. Отличие заключается в смещении процесса превращения битума в разбавленную суспензию в
сторону меньших концентраций разжижителя. У битума ІІ типа введение небольшого количества разжижителя приводит к разжижению дисперсионной среды,
быстрому снижению вязкости и при увеличении концентрации разжижителя превращению битума в разбавленную суспензию асфальтенов. Таким образом, влияние разжижителя на структуру свойства битума в основном определяется структурным типом битума и концентрацией разжижителя. Ключ к пониманию структуры разжиженного нефтяного битума предоставляет теория ассоциации полимеров, согласно которой ассоциаты отсутствуют в предельно разбавленных системах. С возрастанием концентрации и понижением температуры возникновение ассоциатов неизбежно, при этом на степень ассоциации, кроме концентрации и температуры, оказывает влияние химическое строение структурных единиц, их молекулярная масса, а также химическая природа растворителя.
70
Процессы структурообразования разжиженных битумов в покрытии из
холодного асфальтобетона связаны с удалением разжижителя путем частичного
испарения его легких фракций, диффузии компонентов жидкого битума в поры
минерального материала и последующим изменением структуры битума в процессе термоокислительного старения. Исследованиями А. С. Колбановской установлено, что испарение разжижителя более интенсивно происходит в битумах І, затем ІІІ и ІІ типа. В битумах ІІ и ІІІ типов дисперсных структур остается
около 2 % по массе разжижителя, даже при длительном выдерживании пробы в
термокамере. Из битума І типа испаряется больше легких фракций, чем было
введено при его разжижении [42].
Структурообразование в жидких битумах в значительной мере определяется
фракционным и углеводородным составом разжижителя, а так- же, как было сказано ранее, дисперсной структурой вязкого исходного битума. По А. С. Колбановской процессы структурообразования в жидких битумах проходят в три стадии.
На первой стадии испаряется разжижитель (до 70 %) из дисперсионной среды битума, при этом скорость испарения зависит от структурного типа битума и фракционного состава разжижителя. На второй стадии продолжается улетучивание
разжижителя, но с гораздо меньшей скоростью. При этом разрозненные асфальтены в битумах І и ІІІ типа агрегатируются с развитием элементов структурного каркаса. В конце этого этапа структура несколько приближается к структуре вязкого
исходного битума и, по А. С. Колбановской, не зависит от вида разжижителя. На
третьей стадии процесс структурообразования связан с изменениями в битуме под
влиянием термоокислительных воздействий. При этом для битумов І типа, содержащих много легколетучих фракций, характерно продолжение процесса испарения
разжижителя и легких фракций битума, что усиливает степень формирования асфальтенового каркаса. Напротив, у битумов ІІІ и ІІ типа происходят процессы старения за счет процесса окислительной полимеризации и конденсации.
На всех этапах формирования структуры жидких битумов в холодном асфальтобетоне происходят процессы образования адгезионных связей с минеральной поверхностью, устойчивость которых зависит от многих факторов. Известно, что связи, возникающие при контакте битума с поверхностью минеральных материалов, определяются термодинамическими условиями, образующимися в зоне контакта поверхностей смешиваемых материалов. Главный
недостаток жидких битумов – слабые молекулярные силы в зоне контакта с
минеральной поверхностью. За счет невысокой вязкости жидкие битумы в достаточной мере обволакивают поверхности минеральных частиц в процессе приготовления холодных асфальтобетонных смесей. Однако образуемая на зернах
битумная пленка со временем оказывается слишком тонкой, непрочной. Более
устойчивая адгезионная связь жидкого битума с минеральным материалом может быть обеспечена при использовании добавок ПАВ. Участвуя в процессе
взаимодействия жидкого битума с минеральным материалом, ПАВы облегчают
смачивание и растекание жидкого битума по их поверхности, что является необходимым условием хорошего сцепления. Однако наряду с улучшением сма-
71
чивания и обволакивания для обеспечения надежных связей жидких битумов с
минеральной поверхностью требуется повышение прочности тонкого слоя битумной пленки. Добавки полимеров – соединений, имеющих очень высокий
молекулярный вес, повышают вязкость среды и создают условия для получения
более прочной битумной пленки. Вероятно, положительный максимальный эффект будет при совместном применении добавок полимеров и ПАВ. При этом
очень важным условием будет совместимость полимера и ПАВ.
Кроме вышесказанного, следует отметить еще один существенный недостаток жидких битумов. В разжиженных нефтяных битумах вследствие ослабленной сетки асфальтенов наблюдается ухудшение теплоустойчивости. Компенсировать снижение теплоустойчивости способна полимерная сетка. Полимеры, в особенности класса эластомеров (синтетические и натуральные каучуки), имеют в силу своего специфического строения огромную молекулярную
массу и обладают способностью образовывать ассоциаты в разбавленных системах. Выступая в роли структурирующего компонента в жидком битуме, полимерная сетка при повышенных температурах за счет адсорбции растворителя
и мальтеновой части битума позволит повысить теплостойкость холодного асфальтобетона, а также сократить процесс структурообразования. Вероятно, что
вследствие наличия полимера три вышеуказанных стадии структурообразования жидкого битума не будут столь резко обозначены. Процесс испарения разжижителя на первом этапе структурообразования жидкого битума, содержащего полимерную добавку, будет менее интенсивным в сравнении с традиционным разжиженным битумом. При сохранении легких фракций битума и разжижителя процессы термоокислительной деструкции будут замедлены, что позволит повысить долговечность холодного асфальтобетона.
При хранении и применении холодного асфальтобетона при пониженных
температурах полимерная добавка, являясь межструктурным пластификатором
и отдавая связанный разжижитель, позволит обеспечить высокую подвижность,
удобоукладываемость и неслёживаемость холодной асфальтобетонной смеси.
Присутствие полимера в жидком битуме, предназначенном для приготовления
холодных смесей, позволит усовершенствовать технологию дорожных работ с
применением холодных смесей.
Высокая пластифицирующая способность жидких битумно-полимерных
вяжущих позволит устраивать покрытия и проводить ремонт с применением
холодных смесей при температурах до 0 °С.
Таким образом, получение холодной асфальтобетонной смеси, характеризующейся повышенной удобоукладываемостью и минимальной слеживаемостью, и после её укладки формирование асфальтобетонного покрытия, обладающего повышенной теплостойкостью и усталостной долговечностью, может
быть достигнуто путем применения полимерных добавок.
Физико-механические показатели холодного асфальтобетона, модифицированного каучуком типа СКС, приведены в табл. 2.10, соответственно модифицированного термоэластопластом ДСТ — в табл. 2.11. [7].
72
Таблица 2.10
Физико-механические показатели холодного асфальтобетона типа Бх,
модифицированного каучуком типа СКС
Вяжущее содержанием 3,5 % СКС + 1 %
ПАВ «Мобита»
Вяжущее с содержанием 3,5 % СКС +1 %
ПАВ ортофосфорной
кислоты
8. Набухание,%:
до прогрева
после прогрева
Вяжущее
с содержанием
3,5 % СКС
73
1. Средняя плотность, г/см3
2. Средняя плотность минерального остова, г/см3
3. Истинная плотность минерального остова, г/см3
4. Истинная плотность смеси, г/см 3
5. Остаточная пористость, %
6. Слеживаемость
7. Водонасыщение, %:
до прогрева
после прогрева
Жидкий битум
СГ 130/200
Наименование
показателя
Норма
по ГОСТ 9128-97
для типа Бх I марки
Применяемое вяжущее
Не норм.
Не норм.
Не норм.
Не норм.
Не более 18
Не более 10
2,34
2,23
2,67
2,48
6
8
2,35
2,23
2,67
2,48
6
8
2,36
2,26
2,67
2,48
5
9
2,33
2,22
2,67
2,48
6
3
От 5 до 9
5,2
4,5
4,59
4,2
4,8
4,1
7,1
7,0
Не норм.
0,8
0,5
0,6
0,4
0,8
0,3
0,4
0,4
Окончание табл. 2.10
Вяжущее
с содержанием
3,5 % СКС
Вяжущее с содержанием
3,5 % СКС + 1 % ПАВ
«Мобита»
Вяжущее с содержанием
3,5 % СКС +1 % ПАВ
ортофосфорной кислоты
1,5
1,1
0,8
1,5
1,2
0,88
1,69
1,46
0,95
1,82
1,66
1,36
1,45
1,12
0,69
1,8
1,6
1,3
1,73
1,56
1,03
1,79
1,67
1,13
2,02
2,04
1,37
1,32
1,19
0,65
Не норм.
0,35
0,45
0,66
0,81
0,8
0,95
0,58
0,43
74
Жидкий битум
СГ 130/200
Наименование
показателя
Норма
по ГОСТ 9128-97
для типа Бх I марки,
не менее
Применяемое вяжущее
9. Предел прочности при сжатии при t = 20°С, МПа:
до прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
после прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
10. Предел прочности при сжатии t = 50°С, МПа:
до прогрева
после прогрева
Таблица 2.11
Физико-механические показатели холодного асфальтобетона типа Бх,
модифицированного полимером ДСТ
Норма
по ГОСТ 9128 -97
для типа Бх I марки
Жидкий битум
СГ 130/200
Жидкое БПВ
на основе ДСТ 30-01
Жидкое БПВ
на основе ДСТ 30-01 + 1 %
ортофосфорной кислоты
Жидкое БПВ на основе
ДСТ 30-01 + 1,5 % ПАВ
«Мобит»
Жидкое БПВ на основе
ДСТ 30-01 с добавкой ПАВ
талового пека
Применяемое вяжущее
Средняя плотность, г/см3
Не норм
2,34
2,33
2,33
2,34
2,33
Водонасыщение, %:
до прогрева
после прогрева
От 5 до 9
5,2
4,5
6,0
5,8
5,3
5,4
5,0
3,5
5,47
4,85
Слеживаемость
Не более 10
8
3
4
3
3
Набухание,%:
до прогрева
после прогрева
Не норм.
0,8
0,5
0,48
0,18
0,53
0,50
0,7
0,2
0,23
0,13
Наименование
показателей
75
Окончание табл. 2.11
Жидкое БПВ
на основе ДСТ 30-01
Жидкое БПВ
на основе ДСТ 30-01 + 1 %
ортофосфорной кислоты
Жидкое БПВ на основе
ДСТ 30-01 + 1,5 % ПАВ
«Мобит»
Жидкое БПВ на основе
ДСТ 30-01 с добавкой ПАВ
талового пека
1,5
1,1
0,8
1,5
1,2
0,88
1,31
1,13
0,73
1,32
0,97
0,69
1,58
1,28
1,06
1,39
1,25
0,97
1,8
1,6
1,3
1,73
1,56
1,03
1,69
1,37
0,99
1,28
1,2
0,86
1,90
1,69
1,42
1,68
1,60
1,26
Не норм.
0,35
0,45
0,42
0,69
0,37
0,36
0,56
0,87
0,48
0,70
Норма
по ГОСТ 9128 -97
для типа Бх I марки
Наименование
показателей
Жидкий битум
СГ 130/200
Применяемое вяжущее
76
Предел прочности
при сжатии при t = 20°С, МПа
до прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
после прогрева:
сухих
водонасыщенных
после длительного водонасыщения
Предел прочности при сжатии t= 50°С, МПа
до прогрева
после прогрева
Не менее
Рассматривая физико-механические показатели холодного асфальтобетона, приготовленного на разжиженном керосином исходном битуме, отмечаем,
что асфальтобетон отвечает требованиям ГОСТ 9128 по слеживаемости, водонасыщению, пределу прочности при 20 °С сухих образцов. Водостойкость и теплостойкость асфальтобетона недостаточны, что объясняется низкой температурой размягчения остатка, недостаточной адгезией применяемого разжиженного битума.
Введение в состав жидкого вяжущего полимеров и адгезионных добавок в
значительной мере влияет на физико-механические показатели холодного асфальтобетона. Применение высокополимеров без использования адгезионных
добавок позволяет значительно повысить предел прочности при 50 °С. Так, при
применении каучука СКС показатель для прогретых образцов увеличивается в
1,8 раза, соответственно при применении ДСТ — в 1,5 раза. При использовании
полимерной адгезионной добавки «Мобит» [7] наблюдается заметный рост физико-механических показателей холодного асфальтобетона как с применением
СКС, так и с ДСТ. Наилучшие показатели физико-механических свойств у смеси
с каучуком СКС. Применение в качестве адгезионной добавки талового пека [7]
в составе ДСТ позволило незначительно повысить физико-механические показатели холодного асфальтобетона. Установлен рост прочности при 20 °С сухих и
водонасыщенных образцов и незначительное улучшение прочности при 50 °С.
Процессы разрушения асфальтобетона под многократным воздействием
автотранспорта определяются явлениями усталости, т. е. постепенного снижения прочности материала во времени [8, 16]. Важнейшим вопросом при выборе
пути повышения долговечности асфальтобетона в покрытии является учет закономерностей процессов развития деформаций в условиях непрерывно изменяющихся эксплуатационных факторов. Асфальтобетон в покрытии работает в
сложном напряженном состоянии. Поэтому при оценке усталостной долговечности следует рассматривать те воздействия, которые имеют место в процессе
работы асфальтобетона, и при этом в режиме, наиболее близко отвечающим реальным эксплуатационным условиям.
Многолетние исследования, проведенные в ГП «РосдорНИИ» под руководством д. т. н. А. В. Руденского, показали, что режимом испытания асфальтобетона, наиболее близко имитирующим реальные условия работы материала в
условиях воздействия на асфальтобетонное покрытие автотранспорта, является
испытание на усталость при циклическом динамическом изгибе [8].
В указанной методике испытания долговечность асфальтобетона определяет время, в течение которого покрытие может выдерживать заданное напряжение без разрушения. Так как усталость характеризует постепенное снижение
работоспособности материала в покрытии при многократно прилагаемых нагрузках, то её в вышеуказанной методике определяют числом циклов, которое
выдерживает асфальтобетонный образец до разрушения. Частотой испытания,
наиболее близкой реальным эксплуатационным условиям, является частота
868 мин-1, так как расчетная продолжительность одного цикла действия нагруз-
77
ки в этом режиме составляет около 0,02 с, что соответствует режиму нагружения дорожного покрытия при проезде автомобиля со скоростью 60 км /ч [8].
В лаборатории ГП «РосдорНИИ» в соответствии с вышеуказанной методикой были проведены испытания образцов – балочек размером 16х4х2,5 см
холодного асфальтобетона — методом воздействия циклически прилагаемой
нагрузки. Условия испытания: температура — +20 °С, частота нагружения —
868 мм-1. Испытания проведены в режиме постоянной амплитуды прогиба величиной от 0,23 до 0,50 мм.
Для проведения испытаний были приготовлены образцы холодного асфальтобетона типа Дх одинакового гранулометрического состава, но на основе
различных вяжущих. Всего было приготовлено и испытано три смеси. Одна
контрольная, на разжиженном керосином исходном вязком битуме. Остальные
смеси были модифицированные каучуком СКС или термоэластопластом ДСТ.
Содержание добавки полимера в вяжущем составляло 4 % по массе в пересчете
на сухое вещество. Условная вязкость всех жидких вяжущих перед приготовлением холодных смесей была одинакова. Результаты испытаний холодных асфальтобетонов вышеуказанного состава на усталость приведены в табл. 2.12.
Таблица 2.12
Усталостная долговечность холодного модифицированного
и традиционного асфальтобетона
Вяжущее в холодной смеси
(модификатор в вяжущем)
В сухом состоянии
Число циклов
до разрушения при амплитуде прогиба образца, мм
0,50
0,35
0,23
8034
10782
Жидкое вяжущее СГ 130/200 (СКС-30 АРКМ-15) 11312
В водонасыщенном состоянии
Жидкий битум СГ 130/200
4558
Жидкое вяжущее СГ 130/200 (ДСТ 30-01)
6180
Жидкое вяжущее СГ 130/200 (СКС-30 АРКМ-15) 11312
Жидкий битум СГ 130/200
Жидкое вяжущее СГ 130/200 (ДСТ 30-01)
21874
29078
32116
61510
81707
80695
12567
16164
32116
35611
47502
80695
Как следует из результатов испытаний, усталостная долговечность холодных асфальтобетонов, приготовленных на жидких битумах модифицированных
каучуком типа СКС или полимером ДСТ 30-01, превышает указанный показатель холодного асфальтобетона на традиционном жидком битуме в среднем в
1,35—1,4 в сухом состоянии и в 1,3—1,35 раз в водонасышенном состоянии. Наличие воды в порах холодного асфальтобетона снижает его усталостную долговечность. Об этом свидетельствуют результаты испытания водонасыщенных об-
78
разцов. Так, показатель для всех трех составов смесей в среднем в 1,7—1,8 раз
меньше усталостной долговечности образцов, испытанных в сухом состоянии.
На основании проведенных исследований усталостных свойств холодного
асфальтобетона с применением полимерных добавок и без них можно отметить, что применение модифицирующих добавок повышает усталостную долговечность холодного асфальтобетона в 1,35—1,4 раза. Положительное влияние
полимерных добавок установлено как в сухом, так и водонасыщенном состоянии. Проведенные экспериментальные исследования холодных асфальтобетонов на основе жидких битумов, модифицированных полимерами ДСТ и СКС,
доказали возможность получения холодного асфальтобетона с улучшенными
физико-механическими свойствами. Введение в состав жидкого вяжущего полимеров СКС и ДСТ совместно с адгезионными добавками позволяет повысить
теплостойкость в 1,5—1,8 раза, прочность в водонасыщенном состоянии — в
1,2—1,4 раза в сравнении с традиционным холодным асфальтобетоном. Применение модифицирующих добавок ДСТ и СКС повышает усталостную долговечность холодного асфальтобетона в 1,3—1,4 раза как в сухом, так и водонасыщенном состоянии. Все холодные смеси с применением полимеров характеризуются минимальной слеживаемостью. Наилучшими значениями слеживаемости
характеризуются холодные смеси с применением термоэластопласта ДСТ.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение асфальтобетону. Классификация асфальтобетона в
соответствии с ГОСТ 9128-97. В чем отличие горячего от холодного асфальтобетона?
2. Что понимается под понятием «структура асфальтобетона»? Зависимость свойств асфальтобетона от его структуры.
3. Какие функции выполняют минеральные материалы — песок, минеральный порошок и щебень — в асфальтобетоне?
4. Какие показатели асфальтобетона нормированы в ГОСТ 9128-97?
5. Перечислите основные факторы разрушения асфальтобетона. Какую
роль играет качество нефтяного дорожного битума в обеспечении долговечности асфальтобетона в дорожном покрытии?
6. Область применения, достоинства и недостатки горячих и холодных
асфальтобетонов.
7. В чем заключается преимущество горячего модифицированного асфальтобетона в сравнении с традиционным материалом, приготовленным на
вязких дорожных битумах?
8. Получение традиционных жидких дорожных битумов. Модификация
жидких битумов.
9. В чем заключается преимущество холодного модифицированного асфальтобетона в сравнении с традиционным материалом, приготовленным на
жидких дорожных битумах?
79
ГЛАВА 3
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ГОРЯЧЕГО И ХОЛОДНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Реология представляет собой раздел механики сплошных сред, изучающий законы деформирования тел, занимающих промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. В таких телах в процессе деформирования
возникают одновременно как упругие (обратимые), так и пластические (необратимые) деформации. Такое деформационное поведение называют вязкоупругим. Асфальтобетон представляет собой типичный вязко-упругий материал, обладающий к тому же термопластичностью, т. е. изменчивостью соотношения между упругими и пластическими проявлениями в зависимости от температуры.
3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА
ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
Важнейшей задачей для правильного конструирования дорожных асфальтобетонных покрытий и выбора путей повышения их долговечности является
установление закономерностей поведения асфальтобетонных покрытий в условиях воздействия непрерывно измеряющихся эксплуатационных факторов.
Сложность этой задачи в значительной степени определяется особенностями
реологического поведения асфальтобетона как многокомпонентного термопластичного материала. Деформативные свойства асфальтобетона в зависимости
от условий изменяются в очень широком диапазоне: от преимущественно пластичного поведения при высоких температурах и длительно действующих нагрузках до практически полностью упругого при низких температурах и кратковременных динамических воздействиях [67].
При этом асфальтобетон в дорожном покрытии в разные периоды эксплуатации может проходить практически все стадии от пластического (необратимого) деформирования до упругого (обратимого).
Это вызывает необходимость описания на единой основе всех разнообразных проявлений и сочетаний в одном материале упругих и пластических свойств.
Необходимо отметить, что если описание полностью обратимого (упругого) поведения весьма детально разработано (теория упругости), как и теория
необратимого поведения (теория пластичности, гидродинамика), то общая теория поведения материалов, проявляющих одновременно упругие и пластические свойства, в настоящее время находится в стадии формирования.
Задача построения общей теории деформирования, объединяющей в себе
все возможные сочетания разных видов деформирования является важнейшей
задачей реологии.
80
Использование единого подхода для описания закономерностей деформационного поведения особенно важно при анализе работы асфальтобетонных
покрытий с учётом широкого спектра изменения свойств асфальтобетона в зависимости от условий эксплуатации.
Как известно, существует два принципиально различных вида деформирования при рассмотрении элементарной деформации — обратимая и необратимая.
Средняя вероятность участия в заданный момент времени кинетических
единиц, составляющих тело, в необратимой деформации характеризует пластичность материала.
Исходя из вероятностной природы показателя пластичности можно заключить, что единый закон деформирования, обобщающий разные процессы
обратимого и необратимого деформирования, одновременно происходящие в
материале при воздействии нагрузки, должен включать показатель пластичности как связующий элемент единого уравнения, отражающего принципиальную
общность структур основных уравнений обратимого и необратимого деформирования. Принципиальную возможность описания поведения асфальтобетона
на единой основе даёт совместный анализ уравнений обратимого и необратимого деформирования.
При обратимом деформировании возникающая в покрытии деформация ε
пропорциональна согласно закону Гука действующему напряжению σ:
σ = ε · E,
(3.1)
где Е — модуль упругости.
Инженерный расчёт асфальтобетонных покрытий до настоящего времени
опирается на оценку их поведения в упругой стадии согласно закону Гука. В
целях более полного учёта таких свойств покрытия, как релаксация напряжений, нелинейность, запаздывание, в ряде работ использовались уравнения, опирающиеся на различные реологические модели [57].
Развитие упругой деформации ε, соответствующей действующему σ, описывается уравнением Кельвина-Фойгта:
s
(1 - e- Q ) ,
(3.2)
E
где t — время действия нагрузки; Q3 — время запаздывания упругой деформации.
При необратимом деформировании соотношение между напряжением и
деформацией может быть записано согласно закону Ньютона в виде
e=
t
3
s =h
de
,
dt
(3.3)
где η — вязкость.
Одним из способов описания поведения покрытий, в которых при воздействии напряжений одновременно развиваются обратимые и необратимые деформации, является решение Максвелла, основанное на суммировании скоро-
81
стей необратимого деформирования (согласно закону Ньютона:
обратимого деформирования (согласно закону Гука:
de s
= )
dt h
и
de de
=
):
dt Edt
de
ds s ,
=
+
dt
Edt h
(3.4)
Решение Максвелла соответствует упругой жидкой среде, для которой
характерна релаксация напряжений, описываемая уравнением:
σ= σн e -λt,
(3.5)
где λ — время релаксации; σн — напряжение в момент времени t = 0.
Для описания поведения покрытий, в которых обратимые деформации
устанавливаются с некоторым запаздыванием, а необратимые начинают развиваться с момента приложения напряжения, используется уравнение, имеющее
(при σ = const) вид:
- Q3t ö
s t s æç
e = + ç 1- e ÷÷ ,
÷
h E çè
ø
(3.6)
Это уравнение позволяет описывать поведение асфальтобетонов с определённым приближением.
Совместное проявление в разнообразных сочетаниях явлений запаздывающей упругости, релаксации напряжений, а также структурных изменений в
процессе деформирования и их частичной обратимости обусловливает значительное разнообразие свойств асфальтобетонных покрытий, строгое математическое описание поведения которых приводит к сложным выражениям. Широко используемые многокомпонентные механические модели позволяют имитировать различные особенности процесса деформирования, однако их использование приводит к трудоёмким вычислениям. Необходимость учёта большего
числа факторов, влияющих на работу покрытий, обусловливает требование
компактности применяемых уравнений.
Компактное математическое выражение общего закона деформирования,
учитывающего влияние фактора времени и предыстории нагружения на деформативные характеристики материала, дано Больцманом:
e çæ tн ÷ö =
è
ø
s æç tн ö÷
è
E
н
ø
t
+
1 н æ
ö
ò Q èç tн -t ø÷s ( t ) dt ,
Е 0
н
82
(3.7)
где σ(tн) и ε (tн) — напряжение и деформации в момент наблюдения tн; t — время, предшествующее моменту tн; Q (tн — t) — функция влияния напряжений σ(t)
в момент времени tн на деформацию в момент времени tн.
Графики функции Q (tн — t) могут быть построены по данным экспериментальных испытаний на ползучесть.
Функция влияния Q (tн — t) служит в наследственной теории ползучести
Больцмана параметром, инвариантным для любых процессов нагружения в стационарном температурном поле.
Анализ процессов деформирования показывает, что использование механических моделей и соответствующих им уравнений сопряжено с рядом ограничений. Так, например, принцип суммирования обратимой и необратимой составляющих деформации предполагает независимость этих двух видов деформации (и, следовательно, независимость параметров η и Е), тогда как физический анализ механизма деформирования показывает неразрывную связь между
ними. При решении технологических задач, связанных с установлением оптимальных решений по строительству покрытий для конкретных условий эксплуатации, нередко возникает необходимость рассмотрения структуры материалов при описании поведения материалов покрытия. Кроме того, решение
уравнений, вытекающих из рассмотрения механических моделей, при анализе
воздействия переменных напряжений с учётом зависимости параметров Е, η, λ
и Qз от условий нагружения (температура, скорость нагружения и пр.) приводит
к весьма сложным выражениям, ограничивающим практические возможности
их использования при решении инженерных задач.
Для анализа деформационного поведения асфальтобетонных покрытий
А. В. Руденским предложена простая и в то же время достаточно полно отвечающая реальному процессу деформирования функция влияния, которая может
быть записана в виде
Q (tн — t) = Pe-αt t p-1,
(3.8)
где α — показатель, характеризующий изменения свойств материала в процессе
деформирования; P – параметр, характеризующий влияние фактора времени на
процесс развития деформаций.
Таким образом, для анализа поведения асфальтобетонных покрытий в
эксплуатационных условиях, характеризующихся непрерывными изменениями
режимов воздействия нагрузок и температур, может быть использовано уравнение 3.7 в виде
e æç tн ö÷ =
è
ø
s æç tн ö÷
t
1 н -a t P -1
+
t s (t )dt ,
ò Pe
Е
Е 0
н
н
è
ø
(3.9)
Это уравнение позволяет учесть изменения характеристик покрытия в
процессе эксплуатации, влияние явлений старения, усталости и др.
83
При анализе работы покрытия в условиях, когда его свойства не изменяются во времени (т. е. в случае a = 0 и соответственно Ре-αt = const), функция
влияния имеет вид
Q (tн — t) = Pt p-1.
(3.10)
В этом случае для определения напряжений и деформаций в покрытии
может быть использовано уравнение [8]
e ( tn ) =
tн
Ps p-1
ò0 G t dt ,
(3.11)
где G — модуль деформации, соответствующий t = 1 с. Решение уравнения
(3.11) для случая воздействия нагрузок постоянной величины имеет вид
e=
s p.
×t
G
(3.12)
Анализ физической природы параметра Р позволяет сделать вывод, что
параметр Р в уравнении (3.11) следует рассматривать как характеристику степени пластичности материала. Так, при Р = 0 уравнение (3.11) обращается в закон Гука для упругих тел, а при Р = 1 соответствует закону Ньютона для идеальной жидкости.
Промежуточные значения Р характеризуют тела различной степени пластичности. Следовательно, уравнения (3.9) — (3.12) выражают законы деформирования сред, в которых одновременно развиваются как обратимые, так и необратимые деформации, т. е. сред, обладающих определённой степенью пластичности.
Такой подход отвечает задаче описания на единой основе всего спектра
деформативных свойств асфальтобетонных покрытий, которые в зависимости
от температуры и условий нагружения могут проходить все стадии — от твёрдого состояния до вязко-пластичного. При использовании уравнения (3.12) целесообразно в целях сохранения постоянной размерности модуля G использовать показатель времени t, выраженный в относительных единицах. В этом случае параметр G имеет размерность модуля деформации, что следует из рассмотрения уравнения (3.12) в виде
p
s æç t ö÷ ,
e = ç ÷
G è t0 ø
(3.13)
где t0 может быть принято равным 1 с. Следует отметить, что выбор масштаба
времени не влияет на определяемое согласно уравнению (3.12) значение Р. Поскольку уравнения (3.11) и (3.12) описывают кинетику развития деформаций
под действием нагрузок с достаточной степенью точности, то, следовательно,
84
на основе параметров уравнения (3.11), таких как степень пластичности и модуль деформации G, могут быть определены такие характеристики, как время
релаксации λ, модуль упругости Е и вязкости η.
Следует учитывать, что деформацию, возникающую к моменту снятия
первого отсчёта, иногда принимают за «мгновенную» упругую деформацию, что
позволяет использовать модель Максвелла в качестве довольно грубой аппроксимации поведения покрытия и, исходя из этого, вычислять условно-мгновенный
модуль упругости, эффективную вязкость и время релаксации материала покрытия. Однако поскольку поведение асфальтобетонного покрытия не строго соответствует модели Максвелла, то и характеристики λ, Е и η не будут для него являться константами, а будут зависеть от условий их определения. Так, эффективная вязкость, исходя из уравнений (3.3) и (3.12), определяется как
h =s
dt G 1- p .
= t
de P
(3.14)
При этом величина «мгновенной» упругой деформации определяется как
e
de s
=e -t = t P (1-P) ,
упр t dt G
(3.15)
откуда условно-мгновенный модуль упругости равен
G -p
E =
t = E ×t - p .
t 1- P
(3.16)
Использование показателя Р и количественная оценка степени пластичности в соответствии с уравнением (3.11) позволяют применить единый подход при
изучении поведения асфальтобетонных покрытий в широком диапазоне изменения их свойств — от твёрдого состояния до жидкого — и дают ключ к объяснению на единой основе разнообразных деформативных свойств асфальтобетонных покрытий в различных условиях, а также взаимосвязь их между собой.
Развитие деформаций согласно уравнению (3.11) при условии неизменности параметров Р и G, входящих в это уравнение, осуществляется в диапазоне
сравнительно малых деформаций. Дальнейшее развитие деформаций приводит
к изменениям в структуре материала покрытия и соответственно к изменению
значений параметров, входящих в исходное уравнение. Заканчивается этот
процесс разрушением покрытия. Характерной точкой на графике ε(t) является
точка, соответствующая минимальной скорости деформирования, делящая график на два участка.
Таким образом, вследствие влияния фактора времени на деформативные свойства асфальтобетонных покрытий, при использовании тех или иных
характеристик (модуля упругости, вязкости и др.) необходимо учитывать,
какому режиму деформирования соответствуют численные значения этих характеристик.
85
3.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИЙ В АСФАЛЬТОБЕТОНАХ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ НАГРУЗОК
С использованием общих закономерностей деформационного поведения,
рассмотренных в п. 3.1, могут быть определены основные закономерности поведения асфальтобетонных покрытий под действием нагрузок в различных
эксплуатационных условиях. Одним из важнейших факторов, влияющих на
деформативные свойства асфальтобетонных покрытий, является температура.
При широком диапазоне изменения температуры покрытия в разные периоды
эксплуатации пластичность асфальтобетона также меняется в очень широком
диапазоне, отражая все стадии изменения состояния материала – от твёрдого
состояния до вязко-текучего. Анализ общих закономерностей изменения пластичности материала при изменении температуры показал возможность применения закона нормального распределения для описания изменений свойств
асфальтобетона в интервале пластичности.
График Р (Т) хорошо согласуется с экспериментальными данными и имеет вид интегральной функции нормального распределения:
P=
1
s
n
2p
é
ù
ö2 ú
ê æ
T
,
ê çè T -T0 ÷ø ú
ê
ú
exp
dT
ò
2 ú
ê
-¥ ê 2s n ú
êë
úû
(3.17)
где Т0 – температура, при которой степень пластичности материала покрытия
равна 0,5 или 50 %; σn — параметр, характеризующий реологический тип материала покрытия (величину интервала пластичности).
В силу симметрии нормального распределения относительно центра распределения Т0 (точка Т0 может рассматриваться как условная температура плавления) можно записать:
P = 0,5 +
1
s n 2p
é
ö2
ê æ
T
T
T
ê çè
0 ÷ø
ê
exp
ò
ê
2s 2
ê
T
n
0
êë
ù
ú
ú ,
údt
ú
ú
úû
(3.18)
где второе слагаемое представляет собой интеграл вероятности. Для стандартного нормального закона распределения (т. е. при Т0 = 0 и σn = 1) интеграл вероятности равен
Ф(S ) =
æ s ö
1 S
ç - ÷ dS.
exp
ò
ç 2÷
2p 0
è
ø
(3.19)
Для нахождения Ф (S) составлены специальные таблицы, и в связи с этим
представление Р (Т) в виде функции нормального распределения, помимо определённого теоретического интереса, весьма удобно для практических расчётов.
86
Дифференцированием функции Р (Т) по температуре находим закономерность изменения теплочувствительности материала покрытия в интервале
пластичности:
dP
1
= Ф¢(T ) =
dT
s n 2p
é
2ù
ê (T -T ) ú .
0 ú
exp êê ú
ê
2s 2 ú
n úû
êë
(3.20)
Для стандартной кривой Гаусса (σn-1)
æ
2ö
ç S ÷
1
÷
Ф ¢(S ) =
exp ç ç
÷
2
2p
ç
÷
è
(3.21)
ø
также составлены таблицы.
dP
находится в точке, соответствующей условной темпераМаксимум
dT
туре плавления Т0, и равен
1
s n 2p
.
Для однородных материалов с малым значением σn, когда интервал пластичности очень мал и, следовательно, переход от твёрдого состояния к жидкому совершится на узком интервале температур, можно рассматривать как истинную температуру плавления.
Размерность параметра σn в уравнении (3.17) совпадает с размерностью
температур. Кривая Гаусса имеет две точки перегиба при Т = Т0 ± σn, которые делят температурную шкалу на три характерных участка. При температурах
T > T0+ σn в поведении асфальтобетонного покрытия основную роль играют вязкие свойства. При температурах T< T0 — σn покрытие проявляет в основном упругие свойства. В интервале температур от T0 — σn и до T0+ σn покрытие проявляет характерные вязко-упругие свойства. Интервал между точками перегиба, равный 2σn, определяет величину интервала пластичности. На практике значения
параметров Т0 и σn функции Р (Т) для материала покрытия могут быть определены и, следовательно, может быть определена степень пластичности при любой
температуре, если имеются хотя бы две экспериментальные точки. На основе
уравнения (3.17) можно сформулировать, какие материалы можно относить к
твёрдым, какие к жидкостям, а какие к вязкоупругим (пластичным телам). Материалы, имеющие степень пластичности ниже 0,16 (при T< T0 — σn), следует относить к твёрдым телам, а имеющие степень пластичности выше 0,84 (что соответствует T > T0+ σn), следует относить к жидкостям. Материалы, степень пластичности которых лежит в пределах 16—84 %, будем считать вязкоупругими.
Поскольку вязкость материала при изменении Р от 0 до 1 изменяется аналогичным образом и величина lgη пропорциональна 1 — Р, зависимость η(T)
можно представить в виде
87
lgη — lgη min =Mη (1 — P),
(3.22)
где Mη= lgηmax — lgη min.
Исходя из (3.22) можно получить:
2
ê (T -T ) ú
T
-lgh
lgh
1
0 údT , (3.23)
T = 0,5 +
max
êexp
X=
ò
ê
2 úú
lgh
-lgh
2
s
p
ê
2
s
T
max
min
n
n û
ë
0
é
ù
Графики функций зависимости модуля упругости Е (Т), меняющегося в
диапазоне ME = lgηmax — lgη min при изменении Р от 0 до 1, можно представить в
виде
lg E — lg Emin = ME (1 — P).
(3.24)
Установление закономерностей изменений деформативных свойств асфальтобетонного покрытия в широком температурном диапазоне позволяет определять значения модуля упругости, вязкости и степени пластичности материала покрытия при любых интересующих нас температурах расчётным путём
по результатам экспериментального определения значений искомого параметра
при двух температурах. Это позволяет значительно сократить количество испытаний и упростить методику их проведения.
На основе полученных соотношений может быть установлена взаимосвязь между показателями пластичности, вязкости и модуля упругости.
Для определения граничных значений ηmax, ηmin, Еmax и Еmin по результатам
экспериментальных испытаний необходимо знать численные значения η (или
Е) и Р в двух точках, т. е., например, значения η1 и η2, Р1 и Р2. Определение граничных значений ηmax и ηmin осуществляется путём решения системы уравнений:
lg η1= lg ηmax — M η Р1;
lg η2 = lg ηmax — M η Р2.
(3.25)
Откуда
M
h
=
lg h 1 - lg h 2 .
P2 - P1
(3.26)
Далее находим
lg ηmax= Mh Р1 — lg η1;
lg ηmin = lg ηmax — Mh.
(3.27)
Аналогичным образом определяются граничные значения модуля упругости Еmax и Еmin.
Как следует из общих положений термодинамики, состояние материала
покрытия зависит как от температуры, так и от давления: наряду с влиянием
88
температуры на показатели Р и G, в определённой степени они изменяются в
зависимости от величины и характера действующих напряжений.
Для отражения нелинейности свойств материалов широко применяют
различного рода степенные уравнения, дающие хорошее соответствие с экспериментальными данными:
σ = A εx.
(3.28)
При воздействии напряжений, превышающих предел упругости, наблюдаются различные типы пластического течения. Точку σупр часто называют пределом текучести или пределом упругости. Предел текучести является условной
характеристикой, и медленное необратимое течение (ползучесть) всегда имеет
место при воздействии на материал покрытия напряжений, меньших σупр. Для
описания различных случаев ньютоновского течения наиболее широкое распространение, особенно в инженерной практике, в силу соей простоты и хорошего согласия с экспериментальными данными получил так называемый степенной закон:
x -1
,
h =h e x - 1 =h s
0
0
x
(3.29)
откуда
x -1
x -1
æ × ö
æs ö x ,
h çe ÷
1 =ç 1 ÷
=ç 1 ÷
×
çs ÷
h2 ç ÷
è 2ø
çe ÷
è 2ø
(3.30)
и соответственно
s1
s
2
æ ×
ç
çe
ç
=ç 1
ç ×
ç
ç e2
ç
è
öx
÷
÷
÷ ,
÷
÷
÷
÷
÷
ø
(3.31)
где x — индекс течения.
Степенной закон, позволяющий обходиться минимальным числом параметров, а именно x и η0, удобен для решения практических задач, однако следует учитывать, что в широком диапазоне изменения σ или ε параметр x не остаётся постоянным.
Экспериментальные исследования, проведённые в очень широком диапазоне изменения скоростей сдвига (от 10—4 до 106 с-1) подтверждают, что в облас-
89
ти сравнительно небольших скоростей сдвига и малых напряжений характер
течения близок к ньютоновскому.
При высоких скоростях деформирования и низких температурах поведение
покрытия является практически упругим. Периодический режим нагружения соответствует условиям работы покрытия под воздействием потока движущегося
транспорта. В этих условиях в материале покрытия развиваются процессы усталости, приводящие к снижению прочностных характеристик покрытия.
3.3. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ
Прочность является одной из важнейших характеристик асфальтобетонного покрытия, указывающей границы допустимых напряжений, которые оно
может выдерживать в процессе эксплуатации.
Максимальное значение прочности асфальтобетона в упругой стадии
Rmax = 0,1 Еmax, что соответствует одновременному разрыву когезионных связей.
Определяемое на практике значение прочности всегда меньше теоретического предела прочности Rmax и зависит от условий и длительности процесса
разрушения и прочих факторов. Это связано с наличием дефектов как на поверхности, так и внутри слоя покрытия. При этом влияние оказывают не только
«грубые» дефекты, обусловленные, например, недоуплотнением или неполноценными перемешиванием смеси, но и «естественные» микродефекты, неизбежно присутствующие в структуре слоя покрытия.
Разрушение покрытия под действием приложенного напряжения представляет собой кинетический процесс, развивающийся во времени и заключающийся в постепенном формировании микротрещин из микродефектов и их
росте. Теоретически процесс разрушения начинается с момента приложения
любых напряжений, т. е. фактически с момента завершения строительства участка покрытия. Чем больше величина действующих напряжений, тем быстрее
протекает процесс разрушения. Таким образом, прочностные свойства характеризуются двумя показателями: разрушающим напряжением и долговечностью.
Долговечность характеризует время, в течение которого покрытие может выдерживать заданное постоянное напряжение без разрушения. На практике, как
правило, проводят испытания на прочность при возрастающем напряжении
(например, в результате деформирования с постоянной скоростью). В этом случае фиксируют максимальное напряжение, достигнутое в момент разрушения,
которое называют пределом прочности или просто прочностью.
Термин «предел прочности» в данном случае менее удачен, чем просто
«прочность», т. к. определяемый таким образом показатель прочности не имеет
связи с теоретическим пределом прочности Rmax и зависит от скорости роста
напряжений, т. е. от скорости деформирования (и соответственно длительности
90
пребывания материала покрытия в напряжённом состоянии). Влияние скорости
деформирования на характеристики прочности покрытия весьма существенно,
поэтому для практических целей очень важно, чтобы режим испытания соответствовал эксплуатационным условиям работы дорожного покрытия.
Зависимость значений разрушающего напряжения от длительности пребывания слоя покрытия в напряжённом состоянии обусловлена процессом усталости. Усталость характеризует постепенное снижение работоспособности покрытия при длительно действующих или многократно прилагаемых нагрузках. Статическая усталость проявляется в снижении долговечности покрытия при увеличении значений постоянно действующего напряжения. Динамическую усталость
при многократных, циклически действующих нагрузках характеризуют числом
циклов, которое выдерживает покрытие до разрушения. Циклические испытания
проводят либо при воздействии синусоидально изменяющегося напряжения с
постоянной амплитудой, либо при постоянной амплитуде деформаций. При этом
прочность характеризуется либо амплитудой напряжения и числом циклов до
разрушения, либо амплитудой деформации и числом циклов.
Подобным образом если при испытании с постоянной скоростью роста напряжений, прочность характеризуется величиной напряжения в момент разрушения с обязательным указанием скорости роста напряжений, то при испытании
с постоянной скоростью деформирования прочность может быть оценена величиной деформации в момент разрушения (с обязательным указанием принятой
скорости деформирования). Величина предельной деформации является важной
и часто используемой на практике характеристикой прочности, особенно при испытаниях на растяжение, так как позволяет судить о деформативности покрытия.
При испытаниях на прочность всегда наблюдается разброс получаемых
данных. Этот разброс связан со случайным расположением и концентрацией
макро- и микродефектов в слое покрытия. В частности, микротрещины, расположенные у поверхности, всегда опаснее внутренних. Осмотр усталостных
трещин и поверхностей разрушения показывает, что почти во всех случаях разрушение начинается с поверхности, на главной плоскости растяжения. Это указывает на определяющее значение прочности на растяжение для обеспечения
долговечности покрытия, а также на важность тщательной обработки поверхности слоя асфальтобетонного покрытия в процессе строительства.
Зависимость прочности покрытия от длительности действия нагрузки является следствием пластичности асфальтобетона. Известно, что в упругой стадии разрушение происходит, когда упругая деформация растяжения достигает
порядка 0,001. Однако если деформирование не чисто упругое, то разрушение
может не произойти и при больших деформациях.
Так как деформации в слое покрытия развиваются согласно уравнению
(3.12), то связь между разрушающим напряжением Rτ и долговечностью τ выражается уравнением
lg Rτ=lgR — P lg τ,
91
(3.32)
где R = G εкр — напряжение, при котором τ = 1 с.
Сопоставление результатов испытаний, проведённых под действием нагрузок разной величины, приводит к соотношению
æ t
ö- p
R
ç
.
1 = ç 1 ÷÷
çt
÷
R
2 è 2 ø
(3.33)
Иногда пластичность асфальтобетона определяют из отношения
æ V ö
R
1 = çç 1 ÷÷ P
çV
÷
R
2 è 2 ø
(3.34)
на основе анализа результатов испытаний на прочность при сжатии при разных
скоростях деформирования.
Как видно из уравнений (3.32) и (3.33), влияние фактора времени на показатель прочности непосредственно зависит от степени пластичности, причём
между значениями разрушающего напряжения и соответствующими им значениями долговечности существует линейная связь в координатах с логарифмической шкалой. Таким образом, влияние температуры и величины напряжений
на долговечность асфальтобетонного покрытия можно предсказать, если известно их влияние на значения степени пластичности слоя.
Накопление усталостных микродефектов в асфальтобетоне является процессом практически необратимым. Исследования показали, что продолжительность нерабочих периодов (или так называемого «отдыха») между сериями загружений практически не оказывает влияния на долговечность битумов и асфальтобетонов. Даже при высоких температурах усталостные микродефекты
почти не залечиваются. В это же время при высоком содержании битума в асфальтобетоне отмечалось благоприятное влияние периодов отдыха. На восстановление асфальтобетонным покрытием первоначальных свойств в периоды
отдыха оказывают большое влияние особенности свойств битума, применённого для приготовления смеси в процессе строительства покрытия.
Влияние типа деформирования на прочностные характеристики асфальтобетонных покрытий, в частности на их усталостные свойства, обусловлено тем, что значения степени пластичности, вязкости и модулей упругости зависят от того, работает ли слой покрытия в условиях сжатия, сдвига,
изгиба или растяжения.
Уравнение (3.33) характеризует связь между величиной разрушающего
напряжения и долговечностью покрытия при воздействии постоянных статических нагрузок (статическую усталость).
Общие закономерности усталостного разрушения асфальтобетонных открытий под воздействие переменных нагрузок могут быть выведены на основе
совместного анализа критериев разрушения и законов деформирования.
92
Асфальтобетонные покрытия подвергаются комбинированному воздействию статических и динамических нагрузок, прилагаемых в различных режимах.
Для правильной оценки долговечности асфальтобетонных покрытий в переменных эксплуатационных условиях с учётом особенностей структуры слоя
покрытия необходимо на единой физической основе описать закономерности
развития усталостных процессов под действием циклических и длительно действующих нагрузок.
Можно считать, что разрушение дорожных покрытий, в том числе асфальтобетонных, под действием комбинированного воздействия нагрузок, прилагаемых в различных режимах, определяется механизмом кумулятивного разрушения, т. е. отвечает условию
å
ni
t
æ
çs
è
i
ö
÷
ø
=1 ,
(3.35)
где ni — число циклов приложения напряжений σi в режиме i; τ — долговечность материала покрытия при действии напряжения σi в режиме i.
Обобщение результатов многочисленных экспериментальных исследований, приведённых в работах различных авторов показывает, что зависимость
усталостной долговечности материалов как на основе органических, так и неорганических вяжущих, от величины действующего напряжения описывается
уравнением вида
t
n
s
æ
ç
=ç
ç
è
Rt ö÷u
н
s
÷
÷
ø
,
(3.36)
где Rtн — прочность материала при разрушении его за один цикл приложения
напряжения при продолжительности цикла tн; U — постоянная, характеризующая усталостные свойства материала; nσ — число циклов до разрушения.
Величина U определяет наклон линии усталости в координатах lg τ — lg σ
к оси τ.
Из уравнения (3.36) следует, что перегрузка (т. е. воздействие нагрузок,
превышающих расчётную) приводит к резкому снижению долговечности покрытий, устроенных из горячих асфальтобетонов, приготавливаемых на вязких
битумах (вследствие больших величин U).
В то же время покрытия из холодных асфальтобетонов, приготавливаемых на жидких битумах, (вследствие меньших значений U) должны лучше противостоять воздействию случайных перегрузок. Наряду с этим повторная нагрузка вызывает более быстрое накопление усталостных повреждений в покрытиях из холодных асфальтобетонов.
В случае длительно действующего напряжения (меняющегося во времени
по определённому закону) условие разрушения выражается в виде
93
tp
dt
=1 ,
ò é
ù
t s ( t ) ûú
0 ëê
(3.37)
где σ (t) — функция изменения напряжения во времени; τ — долговечность материала покрытия при воздействии постоянного напряжения σ; τp — долговечность материала покрытия при воздействии напряжения, меняющегося во времени по закону σ (t).
Исследования показали, что характеристики усталости при циклическом
и статическом деформировании взаимосвязаны:
lg t
н
U =U c lg e
.
(3.38)
Эта зависимость справедлива для эксплуатационного диапазона частот и
скоростей приложения движущихся транспортных нагрузок на дорожные покрытия. На основе уравнения (3.38) может быть построен график, позволяющий
установить связь между характеристиками усталости в статическом и динамическом режимах при различной длительности цикла.
Как следует из формулы (3.38), с уменьшением длительности цикла нагружения tн величина U монотонно возрастает, т. е. сопротивляемость усталостному воздействию повторных нагрузок одинаковой величины повышается.
Это согласуется с результатами усталостных испытаний, проводимых при различных частотах нагружения.
Сопоставление уравнений (3.33) и (3.36) показывает, что усталостные
свойства слоя покрытия непосредственно связаны с показателем степени пластичности:
1
U = .
c P
(3.39)
Из уравнения (3.39) следует, что, зная значения усталостной долговечности слоя асфальтобетонного покрытия при воздействии двух различных напряжений, можно определить величину Uс.
Например, если при σ 1 = 9,0 МПа величина τ1 составила 0,01 с, а при
G2 = 0,8 МПа τ2 = 100 с, то значение Uс равно
Uc =
lg100 - lg0,001
= 3,8 .
lg9 - lg0,8
Соответственно для циклического режима с длительностью цикла tн = 0,1 с
найдём
U c = 3,8 - 2,3 × lg 0,1 = 6,1 .
94
Использование указанных зависимостей позволяет определять характеристики статической и динамической усталости на основе результатов достаточно
простого и оперативного испытания образцов асфальтобетона на ползучесть.
Полученные зависимости позволяют выявить общие закономерности усталостного разрушения дорожных покрытий, исходя из характеристик материалов, применённых для устройства конструктивных слоёв, и условий эксплуатации (температуры, режима нагружения).
Учитывая, что проведение усталостных испытаний, представляющих значительный интерес для прогнозирования сроков службы дорожных одежд, требует длительного времени и специального оборудования, возможность оценки
усталостных характеристик по результатам испытаний образцов, моделирующих
работу покрытия, на прочность непрерывно действующей нагрузкой (например,
постоянной или равномерно возрастающей) позволяет пользоваться более простой методикой. Это даёт возможность проводить оценку усталостных свойств
слоёв покрытий непосредственно в производственных лабораториях.
Использование полученных закономерностей позволяет разработать алгоритм, моделирующий работу дорожных асфальтобетонных покрытий в различных климатических и эксплуатационных условиях.
В качестве выводов можно отметить следующие.
1. Для анализа работы асфальтобетонных покрытий в эксплуатационных
условиях, характеризующихся нестационарными изменениями режимов воздействия нагрузок и температур, необходимо описание на единой теоретической основе общих закономерностей деформирования покрытий во всём диапазоне эксплуатационных нагрузок и температур.
2. Проведённый теоретический анализ процессов деформирования асфальтобетона в дорожных покрытиях показал, что для описания закономерностей развития деформаций под действием приложенных напряжений целесообразно использование уравнения
e =
tн
ò
0
P s p -1
t dt ,
G
позволяющего на единой основе оценить вариации деформативных характеристик слоя покрытия при изменениях его пластичности в процессе эксплуатации.
3. Для описания закономерностей изменения свойств асфальтобетонных
покрытий в эксплуатационном диапазоне температур при анализе работы покрытий целесообразно использовать интегральную функцию распределения,
отражающую характер показателя Р в интервале пластичности:
P = 0,5 +
T
ò
s n 2p T
0
1
é
ö2
ê æ
T
T
ç
ê
0 ÷ø
exp ê - è
ê
2s 2
ê
n
ëê
95
ù
ú
ú
údT
ú
ú
ûú
.
4. Использование показателя пластичности, определяемого исходя из общего уравнения деформирования, позволяет установить связь между:
а) деформативными характеристиками асфальтобетонных покрытий при
различных режимах нагружения, в частности, между модулями упругости, определяемыми при статическом и динамическом деформировании:
Et = E1 t –p;
б) прочностными характеристиками асфальтобетонных покрытий при
различных режимах нагружения:
t
p é s (t ) ù u
.
ú
d
t
=
1
ò êê
R úû
0 ë
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте реологические свойства асфальтобетонов. Назовите
закономерности развития деформаций под действием нагрузок.
2. Релаксация и запаздывание напряжений в асфальтобетоне. Поясните
влияние пластичности асфальтобетона на его свойства.
3. Как влияет температура на свойства асфальтобетонов.
4. Характеристики деформативных свойств асфальтобетонов. Модули упругости, вязкость, пластичность.
5. Прочность асфальтобетонов. Охарактеризуйте влияние температуры и
режима нагружения на прочность. Характеристики усталости.
6. Влияние водонасыщения асфальтобетона на его усталостную долговечность.
96
ГЛАВА 4
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АСФАЛЬТОБЕТОН
ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ.
ИСПЫТАНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА УСТАЛОСТЬ
4.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ
НА РАБОТУ АСФАЛЬТОБЕТОНА В ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЯХ
Специфическая особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями, проявляющаяся в широком диапазоне вариаций их прочностных и
деформативных характеристик в течение срока службы, вызывает необходимость при исследовании поведения покрытий учитывать большое число факторов, характеризующих особенности климатических условий района строительства, дорожной конструкции, условий эксплуатации и др.
В целях решения указанной проблемы необходима разработка системы
моделирования работы асфальтобетона в дорожных покрытиях в разнообразных климатических и эксплуатационных условиях с учётом вариации характеристик покрытия в течение срока службы, что требует проведения анализа работы асфальтобетонных покрытий как конструкций с нестационарными характеристиками с использованием методов исследования сложных систем.
Рассмотрение асфальтобетонных покрытий как сложной системы, условия функционирования которой зависят от большого числа независимых факторов, позволяет решать задачи, связанные с динамикой изменения их свойств
и эксплуатационной надёжности.
Исследования показывают, что характеристики прочности и деформативности дорожных асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации не остаются постоянными, а претерпевают непрерывные изменения.
Продолжительность эксплуатации покрытия до момента, когда под воздействием автомобильного транспорта, погодных условий и других факторов
характеристики покрытия перестают отвечать предъявляемым требованиям, характеризуют срок службы покрытия.
Характеристики асфальтобетонного покрытия в значительной степени
определяются особенностями свойств асфальтобетона, являющегося термопластичным материалом, обладающим сложным комплексом физикомеханических свойств, меняющихся в широких пределах в зависимости от температуры и условий деформирования.
В связи с этим эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий, связанные с прочностью и деформативностью слоёв асфальтобетона,
подвержены в течение срока службы непрерывным изменениям, обусловленным нестационарностью температурного режима покрытия и режимов воздей-
97
ствия эксплуатационных нагрузок. Указанные изменения прочностных и деформативных свойств покрытия могут носить как обратимый, так и необратимый характер.
В частности, колебания температурного режима асфальтобетонного покрытия представляют собой типичный стохастический процесс, анализ которого требует оценки состояния покрытия в разные отрезки времени в течение всего срока службы.
Вследствие значительного влияния температуры и режима деформирования на свойства асфальтобетона транпортно-эксплуатационные характеристики
асфальтобетонных покрытий претерпевают в течение срока службы существенные изменения, связанные с циклическим характером колебаний температур, воздействием неоднородного транспортного потока, переменными условиями воздействия солнечной радиации, влажности и других факторов. Температурный режим асфальтобетонного покрытия является одним из основных
факторов, определяющих вариации характеристик асфальтобетона в процессе
эксплуатации.
Температуру асфальтобетонного покрытия определяют температура окружающего воздуха, угол падения солнечных лучей на покрытие, облачность,
условия теплообмена на границе «покрытие-воздух», тепловая инерция и др.
В соответствии с циклическими изменениями температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации температура асфальтобетонного покрытия
также претерпевает циклические изменения, причём по мере увеличения глубины расположения слоя асфальтобетона под поверхностью покрытия амплитуда колебаний температуры уменьшается, а максимум температуры смещается
на более позднее время.
Характерная картина изменений температуры асфальтобетонного покрытия в течение суток на примере измерений, проведённых при безоблачной погоде в летнее время в районе Москвы (для верхней части слоя) приведена на
рис. 4.1, а на рис. 4.2 показано изменение в течение года средних месячных
значений наибольших суточных температур асфальтобетонного покрытия на
том же участке дороги.
Необходимо учитывать, что циклы колебаний температуры асфальтобетонного покрытия характеризуются большим непостоянством вследствие нерегулярных колебаний температуры воздуха, переменной облачности, выпадения
осадков. Так, если в солнечную погоду летом определяющим фактором является интенсивность солнечной радиации, то в пасмурную погоду и в осеннезимний период определяющим фактором является тепловая инерция конструкции и, в частности, тепловой поток, идущий от нижних слоёв дорожной одежды. В результате, например, в зимнее время температура покрытия в дневное
время может быть ниже температуры воздуха.
Выпадение осадков в виде дождя в летнее время приводит к резкому охлаждению покрытия, которое может достигать 15 ˚С в час.
98
Рис. 4.1. Характер изменения температуры
асфальтобетонного покрытия
в течении суток:
1 – на глубине 1 см от поверхности;
2 – на глубине 5 см; 3 – на глубине 10 см;
4 – на глубине 15 см
Рис. 4.2. Характер изменения температуры
асфальтобетонного покрытия
в течении года:
1 – на глубине 1 см от поверхности;
2 – на глубине 5 см; 3 – на глубине 10 см;
4 – на глубине 15 см
Исследования показали, что нестационарный характер изменений ряда
основных факторов, влияющих на температуру асфальтобетонного покрытия в
процессе эксплуатации, не позволяет дать достаточно эффективную математическую модель температурного режима покрытия, основанную на использовании известных решений теплофизики. Особенно сложным является прогнозирование вариаций температурного режима покрытия в зимнее время и в пасмурную погоду. Общее представление о характере изменений температурного
режима асфальтобетонных покрытий дают средние значения максимальных
дневных температур в разных точках покрытий, приведённые в табл. 4.1 и 4.2.
Таблица 4.1
Температура асфальтобетонного покрытия в разное время года
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Район расположения дороги
Калининград
Москва
Красноярск
Твс Тнс Тп
Твс Тнс
Тп
Твс Тнс Тп
5,4 4,8 -3,4 -2,6 -2,3 -10,2 -10,2 -9,1 -19,0
11,2 9,4 -2,7
3,1
2,6
-9,6 -3,4 -2,8 -17,2
20,1 15,6 -0,1 14,3 11,2 -4,7
9,5
7,3 -10,7
33,5 23,8 6,2 30,1 21,7
4,0
27,2 19,3 -6,1
44,3 29,4 11,5 43,2 29,1 11,6 42,8 28,4 10,0
50,6 32,4 15,0 50,2 32,6 15,8 51,9 33,2 16,3
99
Окончание табл. 4.1
Месяц
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Район расположения дороги
Калининград
Москва
Красноярск
Твс Тнс Тп
Твс Тнс
Тп
Твс Тнс Тп
52,0 33,7 17,4 51,5 33,9 18,1 53,3 34,6 18,7
46,8 32,1 16,6 45,2 31,4 16,2 46,2 31,7 16,0
36,3 27,1 12,8 33,0 24,9 10,6 33,5 24,9 9,9
23,7 19,2 7,0 19,7 16,2
4,2
18,2 14,7 1,5
13,2 11,6 2,6
7,2
6,4
-2,2
0,9
0,8 -9,7
6,5 5,9 -1,2 -1,1 -1,0 -7,6 -9,2 -8,3 -16,9
Примечание: Твс — температура поверхности покрытия в солнечную погоду, Тнс — температура в нижней части слоя покрытия в солнечную погоду, Тп — температура
покрытия в пасмурную погоду.
Таблица 4.2
Температурный режим асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог,
расположенных в разных климатических зонах
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Район расположения дороги
Санкт-Петербург
Воронеж
Краснодар
Твс Тнс
Тп
Твс Тнс Тп Твс Тнс Тп
-2,1 -1,9 -8,5
0,7
0,6 -9,3 12,5 10,4 -2,3
-0,7 -0,2 -6,0
5,9
4,8 -9,2 18,9 14,7 -1,0
10,3
7,3
-0,5 17,2 13,2 -4,1 30,9 22,2 4,7
28,1 19,4
6,6
34,4 24,1 5,9 43,9 28,9 10,6
34,2 21,0 11,4 48,0 31,4 14,0 55,5 34,2 16,7
39,6 22,0 16,0 54,8 34,6 18,0 62,0 36,8 20,4
45.7 26,1 18,0 55,7 35,6 19,9 64,3 38,7 23,7
37,4 22,7 16,0 50,1 33,8 18,7 59,0 37,5 22,8
27,0 18,1 10,6 37,6 27,6 12,8 47,1 32,5 17,5
12,7
8,9
4,5
23,5 18,8 5,6 34,7 26,1 12,0
5,3
4,5
-0,3 10,7
9,2 -1,1 21,7 17,6 5,1
0,5
0,6
-5,5
2,2
1,9 -6,7 14,2 11,9 0,5
Экстремальные значения температур покрытия могут существенно отличаться от приведённых в табл. 4.1 и 4.2 средних значений. Так, в южных районах страны в жаркие летние дни температура поверхности покрытия может
достигать 75—85 ˚С, а минимальные ночные значения температуры покрытия в
ряде районов Сибири могут опускаться до -55 ˚С и ниже. Таким образом, абсолютный диапазон колебаний температуры поверхности асфальтобетонного покрытия на протяжении периода эксплуатации может достигать 100 ˚С и более,
100
например в районе Москвы — от температур порядка 60—65 ˚С в жаркие летние дни до (–30) — (-40) ˚С в зимнее время.
Необходимо отметить, что условия расположения участка покрытия могут
существенно влиять на особенности его температурного режима. На температурный режим покрытий оказывает влияние уклон дороги, наличие лесонасаждений и другие факторы. Данные, приведённые в табл. 4.1 и 4.2, соответствуют
горизонтальным участкам дороги. При наличии уклона дороги величиной 4 %,
обращённого к югу, максимальная температура покрытия (в июле), расположенного в районе Москвы, повышается с 51,5 ˚С до 53,4˚С, а при уклоне 8 % — до
55,9 ˚С. Таким образом, при уклоне 8 % (к югу) температурный режим участка
покрытия в районе Москвы в солнечную летнюю погоду приближается к температурному режиму горизонтального участка покрытия в районе Воронежа. При
4-процентном уклоне дороги к северу максимальная температура покрытия (в
июле) в районе Москвы достигает только 49,5 ˚С по сравнению с 51,5 ˚С на горизонтальном участке. Следует учитывать, что в слоях асфальтобетонных покрытий, расположенных на некоторой глубине, амплитуда колебаний температуры меньше, чем в поверхностном слое покрытия, причём суточные максимумы температуры устанавливаются с запаздыванием. В результате в асфальтобетонных покрытиях градиент температур по толщине слоя может достигать 20—
30 ˚С, что существенно сказывается на несущей способности покрытия.
Анализ распределения температур по толщине слоя покрытия в солнечную погоду и соответствующих им изменений модуля упругости слоя покрытия
из горячего асфальтобетона по толщине слоя показывает, что общий вид графиков распределения модулей претерпевает как суточные, так и сезонные изменения в соответствии с изменениями температурного режима дорожной одежды. В результате несущая способность дорожных одежд в процессе эксплуатации меняется по сложному закону, причём картина распределения модулей
по толщине слоя может принимать разнообразные очертания. Обобщённые
данные измерений температуры в разных слоях асфальтобетонных покрытий
при различном рельефе трассы, степени заселенности придорожной полосы,
направлении и величине уклонов могут быть использованы в виде расчётных
коэффициентов при климатическом районировании условий работы асфальтобетонных покрытий и назначении расчётных режимов их работы.
В частности, вариации температурного режима асфальтобетонных покрытий обусловливают такую характерную особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями, как циклические изменения их несущей способности в процессе эксплуатации, диапазон которых может быть весьма значительным. Так, например, модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия при высокой температуре (50—60 ˚С), определяемой в статическом режиме
действия нагрузки (соответствующем стоящему или тормозящему автомобилю), составляет 5,0—10,0 МПа. При низких зимних температурах модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия, определяемый в динамическом режиме нагружения (соответствующем воздействию быстро движущегося автомо-
101
биля), может достигать 15000—20000 МПа. Следовательно, характеристики несущей способности слоя асфальтобетонного покрытия могут изменяться в зависимости от условий эксплуатации в 100 раз и более.
Наряду с указанными обратимыми изменениями характеристик асфальтобетонного покрытия, следует учитывать и необратимое изменение свойств
покрытий вследствие развития процессов усталости, старения. При анализе работы асфальтобетонных покрытий следует учитывать также обратимые и необратимые изменения модуля упругости несвязных слоёв основания и земляного
полотна вследствие увлажнения, промерзания, разуплотнения.
На работу асфальтобетонного покрытия влияют также особенности условий проезда, т. е. условия воздействия автотранспорта. Обычно расчётный режим воздействия транспортных нагрузок принимается для условий движения по
ровным прямолинейным горизонтальным участкам. При движении по кривым
следует учитывать воздействие на покрытие поперечной силы, при движении на
уклонах — воздействие дополнительных сил, действующих по оси движения.
При анализе работы асфальтобетонных покрытий в зоне пересечения дорог, у светофоров и т. п. необходимо учитывать повышенную вероятность торможения автотранспорта и связанное с этим возникновение дополнительных
горизонтальных усилий, действующих на покрытие. Существенно влияет на
работу покрытия наличие на нём неровностей, выбоин, волн, колей и т. п., вызывающих появление местных динамических перегрузок при проезде автомобилей по таким участкам.
Необходимо учитывать также влияние на изменение свойств асфальтобетона в процессе эксплуатации покрытия явлений старения асфальтобетона под
воздействием солнечной радиации, кислорода воздуха, протекания процессов
взаимодействия битума с минеральными компонентами смеси, воздействия загрязнений, проникающих в поры покрытия, солей, применяемых при борьбе с
гололёдом, топлив и масел, попадающих на покрытие с проезжающих или
стоящих автомобилей. Все перечисленные факторы могут в той или иной степени влиять на свойства асфальтобетона и, следовательно, на работу покрытия.
Важным фактором является изменение свойств асфальтобетона под влиянием
процессов усталости, развивающихся при многократном воздействии нагрузок
при движении потока автотранспорта.
Учёт влияния тех или иных факторов при рассмотрении работы асфальтобетонных покрытий может быть осуществлён путём введения коэффициентов
условий работы покрытия при определении расчётных режимов воздействия
эксплуатационных нагрузок и расчётных характеристик деформативных и
прочностных свойств самого покрытия.
Приведённый выше анализ влияния климатических и эксплуатационных
факторов на работу асфальтобетонных покрытий показывает, что для правильного проектирования и прогноза долговечности асфальтобетонных покрытий
необходим детальный учёт вариаций их прочностных и деформативных характеристик в течение срока службы.
102
4.2. ДЕФОРМАТИВНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
Деформативные и прочностные свойства асфальтобетонных покрытий
полностью определяются деформативными и прочностными свойствами асфальтобетона. Однако условия деформирования покрытий и условия обеспечения их прочности определяются комплексом воздействия климатических и эксплутационных факторов на дорожное покрытие, особенностями конструкции
дорожной одежды в целом.
Асфальтобетон, как термопластичный материал, обладает сложным комплексом физико-механических свойств, в значительной степени зависящих от
температуры и режима воздействия нагрузок. В асфальтобетоне под воздействием нагрузок одновременно возникают как обратимые (упругие), так и необратимые (пластические) деформации. Характер развития деформаций во времени под воздействием приложенной к асфальтобетону постоянной нагрузки виден из рис. 4.3, на котором приведены результаты испытания образца асфальтобетона на изгиб, показывающие, что кинетика развития прогиба образца под
воздействием постоянной нагрузки в значительной степени зависит от температуры.
Рис. 4.3. Развитие деформаций в асфальтобетоне под действием постоянной нагрузки:
а) в координатах с арифметической шкалой, б) в координатах с логарифмической шкалой
Средние значения динамических модулей упругости Ед, полученных при
испытании образцов асфальтобетона при прогибе (соответствующих длительности действия нагрузки 0,02 с), модулей деформации G (соответствующих
длительности действия нагрузки 1 с), пластичности Р и эффективной вязкости
ŋ, приведены для асфальтобетонов различных типов в табл. 4.3.(1–горячий мелкозернистый асфальтобетон типа Б I марки; 2–тёплый мелкозернистый типа Б I
марки; 3– холодный мелкозернистый типа Бx I марки; 4–горячий мелкозернистый типа Б III марки; 5–тёплый мелкозернистый типа Б III марки; 6–холодный
мелкозернистый типа В II марки; 7–горячий мелкозернистый типа А; 8–горячий
103
песчаный типа Д; 9–тёплый песчаный типа Д; 10–холодный песчаный типа Д).
Характеристики конкретных асфальтобетонов другого состава и приготовленных из других компонентов могут значительно отличаться от приведённых в
табл. 4.3 средних значений в зависимости от особенностей их состава, свойств
каменных материалов и битума.
Деформативные характеристики асфальтобетонов
Вид
асфальтобетона
Температура,
˚С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Модуль
Модуль
Пластичупругости, деформации,
стичМПа
МПа
ность
5000
3000
2500
3000
2500
2000
5000
4000
3000
2000
2500
1750
1250
1750
1250
1000
2500
2000
1750
1000
2300
1000
650
1000
650
420
2300
1600
1000
420
650
330
170
330
170
130
650
420
330
130
0,20
0,28
0,35
0,28
0,35
0,40
0,20
0,23
0,28
0,40
0,35
0,43
0,50
0,43
0,50
0,52
0,35
0,40
0,43
0,52
Таблица 4.3
Вязкость,
МПа∙с
2 ·107
1·106
5 ·104
1 ·106
5 ·104
5·103
2 ·107
8·106
1·106
5·103
5·104
1·103
1·102
1·103
1·102
5·101
5·104
5·103
1·103
5·101
Данные, характеризующие диапазон вариаций модуля упругости горячего
мелкозернистого асфальтобетона в зависимости от температуры и длительности действия нагрузки, приведены в табл. 4.4.
Средние значения динамических модулей упругости для различных типов
асфальтобетонов при различных температурах приведены в табл. 4.5.
Представленные на рис. 4.4 графики характеризуют ползучесть асфальтобетона под действием постоянной нагрузки.
104
Таблица 4.4
Значения модулей упругости асфальтобетона при различных температурах
и длительности нагружения
Длительность
действия нагрузки, с
0,002
0,006
0,012
0,028
0,144
Модуль упругости (в МПа) при температуре ˚С
-45
-30
-15
-5
5
20
35
50
9400 8900 7750 7450 6300 3700 1960 825
8900 7750 7150 6300 5600 2400 1380 440
8350 7150 6600 5600 4080 1800 825 275
8150 6600 6150 4870 3000 1270 600 184
7400 6150 5250 3700 2170 660
250
-
Температура
асфальтобетона, ˚С
Таблица 4.5
Средние значения модулей упругости асфальтобетонов, МПа
Асфальтобетон
горячий на битумах
с вязкостью
100—500 Па∙с
при 60˚С
Асфальтобетон
горячий на битумах
с вязкостью
25—100 Па∙c
при 60°С
-30
-10
0
10
20
50
14000
7000
5000
3500
2500
900
7000
5000
3500
2500
1750
650
Асфальтобетон
холодный
на битумах
с вязкостью
5—25 Па∙с
при 60 °С
5000
3500
2500
1750
1250
450
Рис. 4.4. Развитие деформаций ползучести в асфальтобетонах разного состава
105
Общей закономерностью процессов развития деформаций ползучести в
асфальтобетоне является то, что графики ползучести, построенные в координатах с логарифмической шкалой, представляют собой прямые линии. Наклон
линий к оси времени на графиках ползучести, построенных в координатах с логарифмической шкалой, характеризует пластичность асфальтобетона.
Испытания на ползучесть асфальтобетонов различного состава показывают, что их деформативные свойства в значительной степени зависят от типа и
состава асфальтобетона, содержания и свойств битума. Как видно из рис. 4.4,
интенсивность развития деформаций ползучести в холодном асфальтобетоне,
приготовленном на жидком битуме (состав № 3), значительно выше, чем в горячем асфальтобетоне, приготовленном на вязком битуме (состав № 1). При
увеличении содержания битума в составе асфальтобетона его пластичность повышается. Зависимость пластичности асфальтобетона от температуры приведена на рис. 4.5.
Испытания на ползучесть, проведённые при воздействии постоянных нагрузок разной величины, показали, что в сравнительно узком диапазоне нагрузок, соответствующих диапазону нагрузок, реально возникающих в покрытии в
процессе эксплуатации, соблюдается в ходе развития деформации принцип подобия (рис. 4.6). Это означает, что выбор величины нагрузки при испытаниях
асфальтобетона практически не оказывает влияния на значения пластичности.
Рис. 4.5. Зависимость пластичности
асфальтобетона от температуры
Рис. 4.6. Развитие деформаций
ползучести асфальтобетона
под действием нагрузок
разной величины:
1 –на вязком битуме БНД 40/60;
2 – на вязком битуме БНД 60/90;
3 – на жидком битуме
По результатам испытаний на ползучесть могут быть определены также
значения вязкости, модулей упругости и деформации асфальтобетона.
106
Однако при расчётах слоя асфальтобетонного покрытия на различные виды воздействий нельзя ограничиваться только значением динамического модуля упругости. Так, например, для анализа напряжений и деформаций, возникающих в слое покрытия вследствие перепадов температур, необходимо знать
значения модуля упругости при длительных статических воздействиях. Следует
учитывать, что при продолжительном времени воздействия нагрузки заметную
роль начинают играть необратимые деформации. В этом случае вместо модуля
упругости для выражения связи между напряжением и возникающей в результате его действия полной деформацией (не являющейся полностью упругой)
используется модуль деформации.
Для расчёта верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на сдвигоустойчивость при циклических воздействиях необходимо опираться на характеристики вязкости асфальтобетона при сдвиге.
Вязкость является основной характеристикой асфальтобетонных покрытий, определяющей интенсивность накопления в них необратимых пластических
деформаций в процессе эксплуатации. В таблице 4.6 приведены средние значения вязкости асфальтобетонов, определённые в условиях ползучести при изгибе.
Таблица 4.6
Значения вязкости асфальтобетонов при различных температурах
Вязкость асфальтобетона, МПа∙с,
при температуре, °С
50
20
0
-10
-30
Вид асфальтобетона
Горячий мелкозернистый тип Б на би30
туме с вязкостью 100-500 Па∙с при 60°С
Горячий мелкозернистый тип Б на би2,0
туме с вязкостью 25-100 Па∙с при 60°С
Холодный мелкозернистый тип Бх на
1,0
битуме с вязкостью 5-25 Па∙с при 60°С
5 ·104
2 ·107 4 ·108 2 ·1010
1·103
1·106
7 ·107
1·1010
1 ·102
5 ·104
1·106
1·109
Значения вязкости асфальтобетонов, определённые при других режимах
воздействия нагрузок — сдвиге, сжатии, кручении, растяжении, могут значительно отличаться от приведенных в табл. 4.6 значений. Для сравнения средние
значения вязкости, определённые в условиях сжатия при 50 °С, составляют для
горячих асфальтобетонов 1∙108 Па∙с, для тёплых асфальтобетонов — 1·107 Па∙с,
для холодных асфальтобетонов — 1·106 Па∙с.
Исследования, проведённые при различных типах деформирования, показали, что общий характер поведения в зависимости от температуры при испытаниях на сжатие, сдвиг, изгиб, растяжение имеет исходный вид, однако численные значения характеристик модуля упругости и вязкости различаются. Результаты сравнительных испытаний асфальтобетона на сжатие и изгиб при 20 °С показывают, что степень пластичности при изгибе значительно выше, чем при
107
сжатии (рис. 4.7). Разница между значениями Р при изгибе и сжатии уменьшается с понижением температуры.
Рис. 4.7. Сравнение кинетики развития деформаций ползучести при сжатии и изгибе
Различия в значениях степени пластичности слоёв асфальтобетонных покрытий при работе на сжатие, сдвиг, изгиб, растяжение являются следствием
влияния давления на их свойства. Иллюстрацией влияния давления на деформативные характеристики слоёв асфальтобетонных покрытий являются результаты сравнительных испытаний образцов асфальтобетона методами сжатия и
вдавливания штампа диаметром 5 см в образцы диаметром 10 см. При испытании цилиндрических образцов на вдавливание ненагруженная часть материала
по периметру образца выполняет роль обоймы, препятствующей боковому
расширению в зоне под штампом.
Испытания показывают, что в условиях обжатия возрастает предельная
относительная деформация образцов (табл. 4.7). При этом степень влияния обжатия на предельную деформативность образцов зависит от вязкости использованного битума и состава минеральной части смеси.
Таблица 4.7
Значения предельной относительной деформации асфальтобетонов
различных составов
Состав
1
2
3
4
Вязкость битума Предельная относительная деформация при 20°С
при 60 °С, Па∙с при сжатии, εсж при вдавливании, εвд
εвд/εсж
500
0,019
0,031
1,48
115
0,018
0,028
1,56
55
0,022
0,035
1,59
31
0,025
0,045
1,80
108
Анализ многочисленных экспериментальных данных показывает, что зависимость, связывающая величины вязкости и пластичности Р, может быть выражена в виде
lgη = МВ (1-P).
(4.1)
Связь между модулем упругости слоя асфальтобетонного покрытия Ед и
его пластичностью может выражена в виде
lg Eд = 2,2 (1-P) +3.
(4.2)
Модуль упругости является одной из важнейших характеристик слоя покрытия, имеющих первостепенное значение при инженерных расчётах дорожной конструкции. Данные о значениях модулей упругости слоёв асфальтобетонных покрытий необходимы как для расчёта всей дорожной конструкции в
целом, так и для определения величин напряжений и деформаций, возникающих в слоях покрытий при различных условиях эксплуатации.
Применяемые в настоящее время методы расчёта дорожных конструкций
исходят из положений теории упругости. Несмотря на то, что асфальтобетонное покрытие не может рассматриваться как истинно упругая среда в значительной части эксплуатационного диапазона температур, применимость такого
подхода обусловлена тем, что воздействие транспортных нагрузок на дорожное
покрытие носит динамический характер. Деформации, возникающие в дорожном покрытии в результате динамических воздействий от движущихся транспортных средств, практически полностью обратимы. Это позволяет допускать,
что поведение асфальтобетонных покрытий может быть охарактеризовано значениями модулей упругости и вязкости, соответствующих расчётным эксплуатационным условиям приложения нагрузок.
Значения модуля упругости слоёв асфальтобетонных покрытий изменяются в широком диапазоне в зависимости от температуры и длительности действия
нагрузки. Влияние длительности действия нагрузок на значения модуля упругости зависит от пластичности материала. Поскольку деформация слоя покрытия
является в области достаточно низких температур и достаточно кратковременных динамических воздействий практически полностью упругой, то чем более
пластично покрытие, тем в большей мере фактор времени оказывает влияние на
значение его модуля упругости. Зная степень пластичности слоя, можно определить его модуль упругости при любой заданной длительности действия нагрузки
t2, если известно хотя бы одно значение модуля упругости Е1 (при данной температуре), соответствующее длительности действия нагрузки t1:
lg E2 = lg E1 - P ( lg t2 - lg t1 )
(4.3)
p
E1 æ t2 ö
=ç ÷ .
или
E2 è t1 ø
109
(4.4)
С использованием уравнения (4.3) может быть осуществлён переход от
значений модулей упругости, определённых при различных режимах, к значениям, соответствующим выбранному расчетному режиму. Кроме того, при анализе напряжённого состояния асфальтобетонных покрытий следует учитывать
процессы релаксации напряжений.
Кинетика процесса релаксации зависит от степени пластичности слоя покрытия.
Важной характеристикой слоя покрытия, используемой при анализе напряжений в дорожной конструкции, является коэффициент Пуассона µ. Значения µ зависят от типа асфальтобетона, температуры и режима нагружения
(рис.4.8). По мере понижения температуры покрытия и увеличения скорости
деформирования значения µ снижаются.
Рис. 4.8. Влияние температуры и частоты нагружения на значения коэффициента Пуассона
В результате изменения температуры покрытия в нём возникают так называемые «температурные напряжения», в значительной степени влияющие на
срок службы покрытия.
В связи с этим для анализа работы асфальтобетонных покрытий большое
значение имеют теплофизические характеристики асфальтобетона. Коэффициент линейного температурного расширения асфальтобетона зависит от состава
материала и, особенно, от содержания битума и составляет обычно (2—4)·10-5.
С увеличением содержания битума значения коэффициента температурного
расширения увеличиваются.
Теплопроводность асфальтобетона в среднем равна 0,9 ккал/м. ч. град,
удельная теплоёмкость — 0,4 ккал/кг. град, температуропроводность —
1·10 м/ч, коэффициент теплоусвоения — 20 ккал/м. ч. град.
Важной эксплуатационной характеристикой деформативных свойств является величина предельной деформации асфальтобетона до разрушения. Экспериментальные исследования показывают, что при низких температурах и динамических нагружениях величина предельной относительной деформации
110
растяжения в асфальтобетонах составляет около 0,001, тогда как при более высоких температурах и при воздействии длительно действующих нагрузок она
возрастает. Так, например, при температуре 20˚С величина предельной относительной деформации асфальтобетона даже в условиях динамического нагружения, соответствующего условиям проезда автотранспорта, составляет около
0,01. Значения предельной деформативности асфальтобетона в значительной
степени определяют прочностные свойства слоёв асфальтобетонных покрытий.
4.3. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
Прочность асфальтобетонов является одной из важнейших характеристик, определяющих эксплуатационные качества асфальтобетонных покрытий.
Прочность асфальтобетонов определяет граничные условия разрушения покрытий, их трещиностойкость, долговечность. Прочностные характеристики асфальтобетонных покрытий изменяются в широких пределах в зависимости от
температуры и вида напряжённого состояния. Наиболее распространённой является оценка прочности асфальтобетона при сжатии. Зависимость прочности
асфальтобетона при сжатии от температуры приведена на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Влияние температуры на прочность асфальтобетонов при сжатии:
1– асфальтобетон горячий на битуме БНД 40/60;
2 – асфальтобетон горячий на битуме БНД 90/130; 3 – асфальтобетон холодный
Однако стандартный режим определения прочности асфальтобетонов при
сжатии (скорость деформирования принимается обычно 3 мм/мин) не является
характерным для анализа условий разрушения асфальтобетонных покрытий в
условиях эксплуатации. Так, для анализа процессов разрушения асфальтобетонных покрытий под действием движущихся автомобилей необходимо знать
прочность асфальтобетона в условиях динамического изгиба, а для анализа
воздействия колебаний температуры — прочность в условиях растяжения. Численные значения прочности асфальтобетона, определённые в различных режи-
111
мах работы материала, могут значительно различаться.
Влияние давления (обжатия) на прочность неодинаково для различных
видов асфальтобетонов. Так, например, прочность на сжатие при 50 ˚С горячего
асфальтобетона типа Б при боковом давлении 0,3 МПа составила 3,1 МПа, а без
ограничения бокового расширения — 1,0 МПа. Испытания высокощебенистого
асфальтобетона типа А дали соответственно 4,0 МПа и 0,7 МПа.
При сжатии и при изгибе прочность слоя асфальтобетонного покрытия в
значительной степени зависит от температуры и скорости деформирования.
Однако характер зависимостей, получаемых при испытаниях на изгиб, имеет
существенное отличие от аналогичных зависимостей, полученных при сжатии.
Как видно из рис. 4.10, график Rизг имеет при скорости 250 мм/мин (Т) явно выраженный максимум. При температурах выше и ниже точки максимума слой
покрытия имеет более низкие значения прочности.
Рис. 4.10. Зависимость прочности при динамическом изгибе от температуры:
1– асфальтобетон горячий; 2 – асфальтобетон холодный
Кривая 2 соответствует составу с более широким интервалом пластичности по сравнению с составом № 1. Падение прочности при понижении температуры связано с проявлением хрупкости. Эта важная особенность в поведении
асфальтобетонных покрытий совершенно теряется при стандартных испытаниях образцов на сжатие.
Показательным в этом отношении является сопоставление результатов
испытаний на прочность при сжатии со скоростью 3 мм/мин и на прочность при
изгибе со скоростью 250 мм/мин. Это сопоставление показывает принципиальное различие в характере получаемых закономерностей. На рис. 4.11 показано
изменение прочности образов состава № 1 при сжатии со скоростью 3 мм/мин и
при изгибе со скоростью 250 мм/мин в зависимости от температуры.
112
Рис. 4.11. Сравнение температурной зависимости прочности при медленном сжатии (2)
и при динамическом изгибе (1)
В отличие от прочности при сжатии Rcж, непрерывно возрастающей при
понижении температуры, график прочности при изгибе Rизг250 (Т) имеет максимум при температуре 20 ˚С. Вследствие различия получаемых зависимостей
выводы о прочности слоя асфальтобетонного покрытия, полученные на основании результатов испытаний при сжатии, не будут однозначны выводам, которые могут быть сделаны на основе испытаний на прочность при динамическом
изгибе. Это существенно меняет сам принцип выбора составов смесей для
строительства асфальтобетонных покрытий. Для того чтобы получить асфальтобетонное покрытие, обладающее наибольшей трещиноустойчивостью, необходимо использовать состав, имеющий наибольшую прочность на растяжение
при динамическом изгибе. Опыты показывают, что так называемый оптимальный состав смеси, определяемый на основе испытаний на сжатие, не является
тем, который обеспечивает одновременно наивысшую прочность при динамическом изгибе, т. е. наибольшую трещиноустойчивость в эксплуатационных условиях. Сравнительные исследования образцов асфальтобетона разливного состава показали, что один состав может иметь большую прочность при испытании на сжатие и в то же время меньшую прочность при испытании на динамический изгиб (табл. 4.8).
Таблица 4.8
Значение прочности асфальтобетонов с разным содержанием битума
Состав асфальтобетона, % по массе
Прочность при 20 ˚С, МПа
минерального
при сжатии
при изгибе
битума
щебня песка
V=3 мм/мин V=250 мм/мин
порошка
1
43
51
6
5
3,0
4,2
2
43
51
6
7
3,7
6,8
3
43
51
6
9
3,0
8,6
4
43
51
6
11
2,6
10,8
Таким образом, выводы о прочности слоя покрытия, полученные на осно-
№ состава
113
ве испытаний образцов при сжатии и при изгибе, будут неоднозначными. В частности, в результате испытаний, основанных только на сжатии, могут быть
признаны пригодными составы, имеющие низкую прочность при динамическом
изгибе. Этим объясняется, что в ряде случаев в асфальтобетонных покрытиях
уже через 1—2 года эксплуатации образуются трещины.
Более того, сам характер влияния количества битума в смеси на прочность при медленном сжатии и динамическом изгибе различен. Известно, что
испытание на сжатие выявляет некоторый максимум (см. табл. 4.8), в то время
как при динамическом изгибе идёт нарастание прочности по мере увеличении
содержания битума до 10 % и более.
Таким образом, при строительстве асфальтобетонных покрытий необходимо использовать такие составы, которые имели бы наибольшую прочность
при динамическом изгибе при температурах, принятых за расчётные по условию трещиностойкости, и в то же время обладали достаточной сдвигоустойчивостью при высоких температурах. Это означает, что нельзя чрезмерно увеличивать содержание битума в смеси, стремясь повысить Rизг250, т. к. излишне
жирная смесь будет давать низкую прочность на сжатие при 50 ˚С и, следовательно, недостаточную сдвигоустойчивость. В то же время заниженное содержание битума в смеси приведёт к получению материала со слабой трещиноустойчивостью. Прочность при изгибе и положение максимума на кривой
Rизг250 (Т) зависят от скорости деформирования, свойств и количества битума,
состава минеральной части смеси. При увеличении скорости испытания и
при использовании более вязких битумов максимум смещается в область более высоких температур.
Это ещё раз указывает на то, что скорость деформирования, принятая при
испытаниях, должна быть увязана с реальными условиями работы асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации. При движении автомобиля по дороге со скоростью 60—90 км/ч прогиб покрытия происходит со скоростью
200—500 мм/мин, в зависимости от веса и скорости движения автомобиля и
степени капитальности конструкции дорожной одежды. Поэтому данные о
прочности асфальтобетона на растяжения при прогибе, соответствующем скоростям деформирования 250 мм/мин, достаточно близко отражают реальные
условия работы слоя асфальтобетона в процессе эксплуатации. Большое влияние на характер кривой Rизг250(Т) оказывает реологический тип битума. Так, испытания образцов асфальтобетона, имеющих одинаковый гранулометрический
состав минеральной части, приготовленных на двух битумах с близкими значениями глубины проникания, но разных реологических типов, показали резкие
различия в зависимостях прочности от температуры. С увеличением вязкости
битума максимум смещается в область более высоких температур.
Таким образом, прочностные характеристики асфальтобетона и, следовательно, асфальтобетонных покрытий в значительной степени определяются
прочностью битума.
Значительная часть разрушений асфальтобетонных покрытий связана
114
именно с потерей прочности в упругой или пластической стадии, причём разрывы или смещения в слое асфальтобетона происходят, как показывают наблюдения, в большинстве случаев по битуму. Разрывы по частицам минерального материала наблюдаются в основном при использовании малопрочного щебня. Вместе с тем, несмотря на важность контроля прочностных свойств битума, оказывающих прямое влияние на прочность асфальтобетонных покрытий, вопросы
оценки прочностных (когезионных) свойств битумов исследованы недостаточно.
С целью выбора метода оценки прочностных свойств битумов, достаточно
простого для широкого использования и в то же время достаточно эффективного
для оценки трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, проведены экспериментальные исследования различными методами, испытание при которых связано с разрушением образца, т. е. выявляет прочностные свойства битумов.
Для оценки трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, как показали исследования, наиболее интересным является испытание битумов на растяжимость. Согласно ГОСТ 22245-90 [77] растяжимость битумов определяют при
0 и 25 ˚С и скорости 50 мм/мин. Отмечается несомненная связь между растяжимостью при 0˚С и поведением битума в покрытии, однако существуют расхождения относительно методики проведения испытания. В то же время показатель растяжимости при 25˚С, подвергается серьёзной критике как объективный критерий эксплуатационных качеств битума, поскольку принятый режим
испытания не соответствует условиям работы битума в дорожной конструкции.
В процессе эксплуатации дорожной конструкции битум работает в условиях
малых деформаций и его способность вытягиваться в нити длиной 50—100 см и
более не реализуется при работе конструкции. Поэтому для оценки эксплуатационных свойств битумов контроль растяжимости необходимо осуществлять в
условиях, когда прочность и деформативность битума исчерпываются уже при
достаточно малых деформациях. Следовательно, процесс растяжения битумных
плёнок в расчётных эксплуатационных условиях работы дорожного покрытия
(статический режим Т=-20 ˚С, V=0,05 мм/мин и динамический режим Т=5 ˚С,
V=500 мм/мин) может быть имитирован испытанием при 0 0С и V=50 мм/мин, и
расчетным путем могут быть определены требования к растяжимости битумов
при 0 ˚С и V=50 мм/мин в зависимости от климатических условий района
строительства.
Зависимость прочности асфальтобетона от скорости деформирования является отражением физической природы разрушения как кинетического процесса, развивающегося во времени. Зависимость долговечности асфальтобетона
от постоянной величины действующих напряжений показана на рис. 4.12. График 4.12 характеризует статическую усталость асфальтобетона.
Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что
связь между величиной статической нагрузки и длительностью её действия до
разрушения выражается прямой линией в координатах с логарифмической
шкалой.
115
Рис. 4.12. Зависимость долговечности асфальтобетона
от величины действующего напряжения (статическая усталость)
Указанная зависимость характеризует статическую усталость асфальтобетона и может быть выражена уравнением
p
R1 æ t2 ö
=ç ÷ ,
R2 è t1 ø
(4.5)
где R1 — соответствует долговечности, равной t1 или
Rt = R0 t -p,
(4.6)
где Rо — разрушающее напряжение, при воздействии которого время до разрушения долговечности равно 1 с.
В условиях воздействия на асфальтобетонное покрытие потока автотранспорта наиболее близко имитирует реальные условия разрушения метод
динамической усталости, т. е. испытания на прочность при изгибе в условиях
многократного приложения нагрузок.
Анализ прочности слоёв асфальтобетонных покрытий при циклических
нагружениях (усталостной прочности) проводился в режиме постоянной амплитуды деформации при температуре 20 ˚С.
Как видно из табл. 4.9 в режиме постоянной амплитуды деформации усталостная долговечность щебенистых асфальтобетонов выше, чем песчаного
асфальтобетона. Это объясняется тем, что вследствие большей жёсткости песчаного асфальтобетона в нём при той же деформации возникают напряжения
большей величины, чем в щебенистых асфальтобетонах. При проведении испытаний в режиме постоянной амплитуды напряжений в песчаных асфальтобетонах, наоборот, деформации будут меньше, чем у щебенистых асфальтобетонах.
Соответственно усталостная долговечность асфальтобетонов в режиме постоянной амплитуды напряжений обычно выше, чем щебенистых асфальтобетонов. Поскольку в дорожной конструкции деформации покрытия под действием
116
транспортных нагрузок определяются капитальностью всей дорожной одежды
в целом, тогда режим постоянной амплитуды деформации ближе соответствует
реальным условиям работы асфальтобетонного покрытия.
Усталостная долговечность асфальтобетонов
Вид
асфальтобетона
Число циклов до разрушения
при амплитуде прогиба, мм
0,37
0,30
0,22
0,16
Горячий мелкозернистый
21700
тип Б
Тёплый мелкозернистый
5620
тип Б
Горячий песчаный тип Д
2830
Горячий мелкозернистый
14300
тип А
Таблица 4.9
Коэффициент
усталости
40700
142000
500000
0,28
8320
17400
44800
0,38
5000
12600
37200
0,32
30000
125000
500000
0,22
Исследования усталости асфальтобетонов при циклических воздействиях
проводят в режиме постоянной амплитуды деформации или постоянной амплитуды напряжения.
Результаты испытаний асфальтобетонов разных типов на усталость при
изгибе приведены на рис. 4.13. Наклон линий к оси времени характеризует коэффициент усталости. Чем более пластичен материал, тем в большей мере
влияет фактор времени на происходящие в нём усталостные процессы.
Рис. 4.13. Усталостная долговечность асфальтобетонов разного состава:
1– асфальтобетон горячий на битуме БНД 40/60;
2 – асфальтобетон горячий на битуме БНД 90/130; 3- асфальтобетон холодный
Сравнительные данные об усталостной долговечности асфальтобетонов
разного состава при изгибе с постоянной амплитудой деформации (при темпе-
117
ратуре 20 ˚С, частоте 868 мин-1) показали, что коэффициент усталости слоя асфальтобетонного покрытия зависит в значительной степени от состава асфальтобетона, вязкости и содержания битума, а также от пористости асфальтобетона. Анализ данных усталостных испытаний позволил определить средние значения коэффициентов усталости, характерные для слоёв покрытий, устроенных
из асфальтобетонов различных видов. В табл. 4.10 приведены значения коэффициентов усталости асфальтобетонов различных видов при 0 и 20 ˚С (при частоте нагружения 858 мин-1). Влияние частоты нагружения на коэффициент усталости асфальтобетонов зависит от степени их пластичности (рис.4.14).
Таблица 4.10
Значения коэффициентов усталости асфальтобетонов
Вид асфальтобетона
Мелкозернистый горячий
Мелкозернистый тёплый
Мелкозернистый холодный
Песчаный горячий
Песчаный холодный
Коэффициент усталости
при 0˚С
при 20˚С
0,18
0,28
0,22
0,38
0,27
0,45
0,20
0,32
0,30
0,48
Рис. 4.14. Зависимость коэффициента усталости асфальтобетона
Важно отметить, что отклонения в дозировке вяжущего при строительстве существенно влияют на усталостную долговечность слоя покрытия. Так, например, если применяемая при строительстве смесь содержит не 7 % битума, а
всего на 0,5 % меньше, то усталостная долговечность слоя асфальтобетонного
покрытия снижается в 1,5 раза, т. е. разрушение покрытия произойдёт не через
18 лет, как допускается по нормам, а через 12 лет.
118
Линейная зависимость lgR (lgt) соблюдается в широком диапазоне длительностей действия нагрузок, что подтверждается результатами испытаний как
на статическую, так и динамическую усталость. Лишь при очень малых напряжениях наблюдается отклонение от линейности, обусловленное зависимостью
пластичности образца от уровня действующих напряжений.
Учитывая, что асфальтобетонное покрытие в процессе эксплуатации находится нередко во влажном состоянии, важной задачей является выявление
влияния водонасыщения на усталостную долговечность асфальтобетона при
циклическом динамическом деформировании.
Анализ результатов обследований эксплуатационного состояния чёрных
дорожных покрытий, показывает, что одной из важных характеристик слоёв покрытий, влияющих на срок их службы, является показатель водоустойчивости.
Разрушения дорожных асфальтобетонных покрытий, связанные с недостаточной водоустойчивостью, составляют значительный процент от общего
числа их повреждений. Особенно это характерно для районов, в которых дорожные покрытия длительные сроки работают во влажном состоянии, например, во 2-й климатической зоне. На дорогах 2-й климатической зоны повреждения асфальтобетонных покрытий в виде выбоин, выкрашиваний, трещин встречаются в среднем в два раза чаще, чем на дорогах в 3-й климатической зоне.
При этом доля повреждений в виде выбоин и выкрашиваний (т. е. повреждений
в первую очередь связанных с недостаточной водоустойчивостью) составляет
во 2-й климатической зоне около 50 % от общего количества дефектов этого
типа, а на дорогах в 4-й климатической зоне — лишь незначительный процент
от общего числа дефектов покрытий.
Механизм разрушения асфальтобетонных покрытий под действием воды
обычно связывают с длительными процессами проникновения воды в поры асфальтобетона и отслаиванием водой плёнки битума с поверхности минеральных частиц.
Поэтому оценка водоустойчивости асфальтобетонных покрытий основывается обычно на результатах снижения прочности при длительном выдерживании образцов в воде. Ускоренный способ основан на определении водонасыщения образцов под вакуумом с последующим определением их прочности.
Однако наличие существенного количества повреждений асфальтобетонных покрытий в виде выбоин и выкрашивания даже на участках, построенных с
соблюдением технических требований, показывает, что применяемые стандартные методы оценки водоустойчивости, основанные на статическом воздействии воды, не дают достаточной гарантии качества асфальтобетонных покрытий при эксплуатации в условиях увлажнения.
Исследования показали, что одной из важнейших причин образования
разрушений асфальтобетонных покрытий является воздействие динамических
нагрузок в условиях водонасыщения.
При воздействии циклически повторяющихся динамических нагрузок,
обусловленных движением потока автотранспортных средств, вода, находя-
119
щаяся в порах покрытия, имеет ограниченные возможности к перемещению из
сжатой зоны в растянутую, учитывая ограниченное время цикла около 0,02 с. В
результате в порах возникает пульсирующее гидродинамическое давление, значение которого может достигать больших величин и зависит от размеров и
формы пор, модуля упругости и пластичности слоя покрытия.
Перераспределение напряжений в водонасыщенном покрытии при динамических воздействиях приводит к возрастанию величины растягивающих напряжений в верхнем слое, которые могут достигать величины действующих
вертикальных напряжений, а в ряде случаев вследствие «эффекта клина» и значительно превосходить их.
Экспериментальные исследования влияния динамических нагрузок на водонасыщенные образцы были проведены с использованием специально сконструированной установки, обеспечивающей циклическое приложение динамических сжимающих нагрузок.
Образцы подвергались воздействию определённого числа циклов нагружения, а затем испытывались на прочность при сжатии при 20 ˚С стандартным
методом. Влияние числа циклов нагружения и амплитуды напряжения на прочность образцов, работающих в сухом и водонасыщенном состоянии, приведены
в табл. 4.11, из которой видно, что уже после 3000 циклов нагружения прочность
водонасыщенных образцов состава Б, имеющих пористость 8,4 %, снижается на
41—54 %, в то время как прочность сухих образцов снижается всего на 19 %.
Таблица 4.11
Влияние воздействия циклических динамических нагрузок
на прочность водонасыщенных образцов
Число циклов приложения
нагрузки, 0,024 МПа
0
3000
6000
Прочность при сжатии (при 20˚С), МПа
в сухом состоянии
в водонасыщенном
состав А состав Б состав А состав Б
2,3
2,6
2,4
1,9
2,4
2,1
1,1
2,2
1,9
2,4
1,0
Столь резкое снижение прочности при воздействии динамических нагрузок характерно только для пористых асфальтобетонов. Так, прочность образцов
состава № 1 с пористостью 3,4 % снижается после 6000 циклов нагружения в
водонасыщенном состоянии всего на 18 %.
Проведённые исследования показывают, что воздействия циклических
нагрузок на асфальтобетонное покрытие, находящееся во влажном состоянии,
резко снижает его прочность.
Результаты усталостных испытаний асфальтобетонов, подвергнутых различным срокам выдерживания в воде после водонасыщения под вакуумом,
приведены в табл. 4.12.
120
Таблица 4.12
Влияние условий увлажнения на усталостную долговечность асфальтобетонов
Число циклов до разрушения
Номер
Длительность выпри амплитуде прогиба, мм
серии
держивания в воде
образцов
0,42
0,32
0,26
1
Сухие
8880
37100
148000
Водонасыщенные
2
по ГОСТ 128018100
31900
85700
98
3
5 суток
7960
30200
74300
4
15 суток
7090
30400
70800
5
30 суток
5500
21600
55000
Коэффициент
усталости
0,175
0,190
0,200
0,200
0,200
Экспериментальные исследования усталости в условиях динамического
изгиба были проведены на специальном стенде, обеспечивающем циклический
изгиб образцов-оболочек в режиме заданной амплитуды деформации при частоте 868 мин-1 с целью установления влияния увлажнения асфальтобетонов на
их усталостную долговечность. Усталостные испытания асфальтобетонов проводились по методике, разработанной А. В. Руденским, и были начаты в 1971—
1972 гг. в «Гипродорнии» и позднее продолжены в «Росдорнии».
Из данных табл. 4.12 можно заключить, что водонасыщение слоя асфальтобетонного покрытия резко снижает его усталостную долговечность. Так, при
длительности пребывания в водонасыщенном состоянии 30 суток усталостная
долговечность покрытия снижается в 1,6—2,7 раза.
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учёта снижения прочностных и усталостных характеристик асфальтобетонных покрытий
при прогнозировании их эксплуатационной долговечности при работе в условиях систематического увлажнения.
Оценка водоустойчивости слоя покрытия по результатам испытаний в условиях динамических воздействий лучше соответствует эксплуатационным режимам работы дорожных покрытий по сравнению с известным стандартным
методом испытания, основанным на статическом действии воды.
На основании проведённых исследований можно сделать вывод о необходимости использования при расчёте эксплуатационной долговечности асфальтобетонных покрытий характеристик прочности коэффициентов усталости, определяемых по результатам испытаний образцов, подвергнутых предварительному увлажнению.
Методика назначения расчётных значений прочности и коэффициентов
усталости асфальтобетонов должна учитывать такие климатические характеристики района расположения дороги, как степень увлажнения местности, интенсивность и продолжительность работы асфальтобетонного покрытия во влажном состоянии.
121
4.4. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ КАК КОНСТРУКЦИЙ
С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Широкий диапазон колебаний температуры асфальтобетонных покрытий в
процессе эксплуатации и значительная зависимость прочностных и деформативных свойств асфальтобетонов от температуры и режима нагружения обусловливают специфическую особенность работы асфальтобетонных покрытий — нестационарность их эксплуатационных характеристик, проявляющуюся в непрерывных изменениях несущей способности покрытия вследствие нестационарности температурного режима дорожной конструкции и нестационарности транспортного потока.
Наличие градиента температур по толщине слоя обусловливает другую характерную особенность дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями —
переменные характеристики модуля упругости материала по толщине конструктивных слоёв.
Данные о вариациях модуля упругости асфальтобетона в покрытии, характерных для климатических условий района Москвы, приведены в табл. 4.13.
Для сравнения аналогичные данные для районов Красноярска и Калининграда
приведены в табл. 4.14 и 4.15.
Учёт непостоянства значений модуля упругости асфальтобетона в дорожном покрытии очень важен для правильного проектирования конструкции дорожной одежды.
Вариации динамического модуля упругости
слоя асфальтобетонного покрытия в течение года
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Таблица 4.13
Модуль упругости, МПа
на поверхности
в середине слоя
в нижней части
покрытия
покрытия
слоя покрытия
5414
5395
5377
4573
4605
4635
3270
3430
3579
2035
2331
2616
1374
1735
2097
1116
1492
1886
1072
1433
1815
1296
1621
1955
1867
2124
2376
2781
2936
3084
4038
4088
4136
5183
5176
5169
122
Таблица 4.14
Динамический модуль упругости асфальтобетона, МПа
Солнечная погода
Пасмурная погода
Месяц
на поверхности
на глубине
на глубине по всей толщине
покрытия
7,5 см
15 см
покрытия
Район Калининграда
Январь
3957
3980
4002
4166
Февраль
3668
3731
3191
4123
Март
2332
2650
2949
3421
Апрель
1647
2148
2629
2914
Май
1017
1725
2455
2360
Июнь
828
1596
2422
2139
Июль
839
1548
2316
2020
Август
1093
1632
2194
2073
Сентябрь
1568
1938
2304
2389
Октябрь
2467
2632
2792
3016
Ноябрь
3561
3598
3635
3802
Декабрь
4040
4061
4082
4253
Таблица 4.15
Динамический модуль упругости асфальтобетона, МПа
Солнечная погода
Пасмурная погода
Месяц
на поверхности
на глубине
на глубине по всей толщине
покрытия
7,5 см
15 см
покрытия
Район Красноярска
Январь
6033
5984
5937
6629
Февраль
4398
4399
4462
5530
Март
2510
2932
3307
4275
Апрель
1562
2207
2814
3260
Май
1035
1784
2548
2511
Июнь
741
1559
2457
2080
Июль
778
1521
2335
1979
Август
1015
1633
2280
2128
Сентябрь
1671
2057
2433
2591
Октябрь
2780
2939
3091
3421
Ноябрь
4376
4407
4437
4900
Декабрь
5729
5707
5686
6092
Примечание: величины модулей упругости даны для средних значений максимальных дневных
температур асфальтобетона в покрытии.
123
Из табл. 4.13—4.15 видно, что в процессе эксплуатации значения динамического модуля упругости слоёв асфальтобетонных покрытий могут различаться
в отдельные периоды в 5—10 раз, причём вследствие градиента температур по
толщине слоя покрытия в летнее время значения модуля упругости в верхней и
нижней частях слоя покрытия может различаться более чем на 600—700 МПа.
Столь значительные изменения характеристик несущей способности слоя асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации подтверждают необходимость рассмотрения асфальтобетонных покрытий как конструкций с нестационарными эксплуатационными характеристиками при разработке рекомендаций в
области рационального конструирования и выбора материалов для устройства
покрытий для различных климатических и эксплутационных условий.
Для проведения расчётов конструкций дорожной одежды и сравнения вариантов на стадии проектирования необходимо определение расчётных значений модуля упругости слоя асфальтобетонного покрытия. Принимаемое в качестве расчётного значение модуля упругости слоя покрытия должно быть таким,
чтобы условная конструкция с неизменными во времени (расчётными) характеристиками модулей упругости слоёв была эквивалентна реальной конструкции,
значения модулей упругости слоёв в которой претерпевают в процессе эксплуатации обратимые и необратимые изменения.
Это условие обеспечивается, если расчётный срок службы слоя покрытия в
условиях с неизменным расчётным модулем упругости Ер соответствует фактическому сроку службы слоя асфальтобетонного покрытия с переменными значениями модуля упругости, соответствующими переменными условиями эксплуатации.
Для расчёта напряжений вызываемых колебаниями температуры покрытия, необходимы данные о значениях модулей упругости, соответствующих
длительному времени действия нагрузки. Вариации статического модуля упругости покрытия показаны в табл. 4.16.
Таблица 4.16
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Статический модуль упругости асфальтобетона, МПа
Район расположения дороги
Владивосток
Челябинск
Калининград
2162
2398
543
1396
1905
507
623
933
363
248
312
195
142
127
102
89
69
70
53
54
54
39
72
60
64
14
90
146
346
164
124
Окончание табл. 4.16
Месяц
Ноябрь
Декабрь
Статический модуль упругости асфальтобетона, МПа
Район расположения дороги
Владивосток
Челябинск
Калининград
451
901
295
1333
1905
446
Примечание: величина модуля соответствует средней протяжённости расчётного цикла колебаний
температуры покрытия.
Наряду с вариациями модуля упругости происходят аналогичные изменения во времени и по толщине слоя асфальтобетонного покрытия характеристик
его вязкости, прочности, влажности и др. В частности, учёт вариаций вязкости
слоя по толщине весьма важен для оптимального конструирования дорожной
одежды и обеспечения необходимой сдвигоустойчивости покрытия, а также для
уточнения требований к несущей способности «чёрных» оснований. Так, например, при градиенте температур, показанном на рис. 4.2, вязкость слоя покрытия
горячего асфальтобетона на поверхности может быть равна 5∙106 Па∙с, а на глубине 15 см — 2·1010 Па∙с. В то же время вязкость слоя покрытия из холодного
асфальтобетона, лежащего на глубине 15 см, будет равна 1∙108 Па∙с, т. е. выше
вязкости слоя покрытия горячего асфальтобетона у поверхности. Примеры вариаций вязкости горячего асфальтобетона в покрытии для г. Москвы приведены
в табл.4.17.
Таблица 4.17
Вариации вязкости асфальтобетона в покрытии в течение года
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Вязкость асфальтобетона, МПа∙с
в верхней части
в середине слоя
в нижней части
слоя покрытия
покрытия
слоя покрытия
40000000
387000000
370000000
87000000
93000000
98700000
4000000
6570000
9600000
60000
200000
500000
1700
10000
80000
300
3000
30000
200
2000
20000
1000
8000
40000
27000
90000
200000
99000
1600000
2500000
28000000
32000000
35400000
270000000
270000000
270000000
Примечание: значения вязкости соответствуют средним максимальным значениям дневной температуры покрытия в солнечную погоду.
125
Значения вязкости рассчитаны исходя из данных о распределении температур в слое покрытия в различное время года и экспериментальных данных о
зависимости вязкости асфальтобетона от температуры.
Как видно из табл. 4.17, значения вязкости асфальтобетона в покрытии
могут изменяться в процессе эксплуатации в тысячи раз.
Таким образом, в каждый отдельный период разные слои асфальтобетонных покрытий работают в различных режимах и имеют различные характеристики прочности и деформативности, в связи с чем приведение к расчётному
режиму при анализе работы асфальтобетонных покрытий должно осуществляться с учётом особенностей работы слоёв, расположенных на разной глубине.
Напряжения и деформации, возникающие в асфальтобетонных покрытиях
под действием движущегося или стоящего автотранспорта, колебаний температуры и других факторах, также непрерывно изменяются в процессе эксплуатации. Следует также учитывать, что воздействия эксплуатационных нагрузок на
асфальтобетонные покрытия также носят нестационарный характер. Движение
потока автомобилей разного веса с разными скоростями ставит задачу приведения сложного потока с переменной интенсивностью к расчётной. При торможении транспорта, движении на участках с уклонами и на кривых, наряду с
воздействием вертикальных нагрузок, возникают горизонтальные усилия, достигающие величин порядка 50—70 % от вертикальной нагрузки. Особенно
важно учитывать горизонтальные усилия при анализе сдвигоустойчивости конструктивных слоёв. Наличие неровностей и повреждений покрытия приводит к
росту коэффициента динамичности приложения нагрузок.
Наряду с напряжениями, возникающими в результате воздействия эксплуатационных нагрузок, следует учитывать напряжения, возникающие в слое
покрытия в результате циклических колебаний температуры и наличия градиента температур в конструкции: напряжения, вызываемые давлением льда в порах асфальтобетонных покрытий при переменном замораживании-оттаивании,
гидравлическими импульсами давления воды в порах при проезде автотранспорта по влажному покрытию, деформациями основания и другими факторами.
Учитывая нестационарный, сложный характер изменений свойств асфальтобетонных покрытий для анализа их напряжённо-деформированного состояния, сопоставления режимов работы слоёв асфальтобетонных покрытий в
различные периоды эксплуатации и для проведения различных периодов к расчётному режиму необходимо использовать коэффициенты приведения, характеризующие сравнительную напряжённость работы слоя покрытия в различные
i-е периоды по сравнению с расчётными.
В частности, при оценке прочности коэффициент напряжённости определяется как отношение числа циклов до разрушения в расчётном режиме к числу
циклов до разрушения в режиме i. Если асфальтобетонное покрытие в условиях
i способно выдержать до разрушения большее число циклов приложения расчётной нагрузки, чем в расчётном режиме, то, следовательно, режим i является
мягким и коэффициент напряжённости в режиме Ki<1.
126
Среднее значение коэффициента напряжённости за период работы асфальтобетонного покрытия характеризует коэффициент условий работы и определяется как
K усл =
ån K ,
i
i
nпр
(4.6)
где nпр — число циклов приложения расчётной нагрузки в режиме i.
Учёт непостоянства распределения модулей упругости и вязкости асфальтобетона по толщине слоя покрытия существенно влияет на определяемые
расчётом значения напряжений и деформаций по сравнению с традиционными
методами расчёта асфальтобетонных покрытий, опирающихся на представление о постоянстве значений модуля упругости слоя покрытия во времени.
В табл. 4.18 приведено сопоставление значений растягивающих напряжений в нижней части слоя асфальтобетонного покрытия для случаев постоянных
и переменных по толщине слоёв значений модулей упругости асфальтобетонного покрытия.
Данные табл. 4.18 приведены для конструкции, включающей верхний
слой покрытия из горячего асфальтобетона с динамическим модулем упругости
2500 МПа при 20 ˚С и нижний слой из асфальтобетона с модулем упругости
1250 МПа при 20 ˚С. В варианте 1 модуль упругости каждого из слоёв по толщине предполагается постоянным, в варианте 2 учтено наличие градиента модуля упругости по толщине верхнего слоя покрытия, а в варианте 3 учтено наличие градиента модулей упругости как верхнего, так и нижнего слоя покрытия. Учет наличия градиента температур в слое покрытия (и соответственно
градиента модулей упругости), показывает, что растягивающие напряжения в
рассмотренном случае составляют 0,56—0,68 МПа, тогда как расчёты, выполненные без учёта градиента модулей по толщине слоёв, дают более высокое
значение растягивающего напряжения, равное 1,12 МПа.
Напряжения в нижней части слоёв покрытия
Вариант
Слой
1
1
2
1
2
3
1
2
2
3
Таблица 4.18
Напряжение* в нижней части слоя, МПа,
на расстоянии от оси действия нагрузки, см
0
16,5
3
165
264
-0,14
-0,23
-0,21
0,04
0,02
1,12
0,77
0,11
-0,12
-0,04
-0,49
-0,38
-0,12
0,05
0,02
-0,11
-0,15
-0,22
0,04
0,03
0,56
0,42
0,13
-0,07
-0,03
-0,48
-0,37
-0,12
0,05
0,02
-0,07
-0,14
-0,25
0,04
0,02
127
Окончание табл. 4.18
Вариант
Слой
3
4
Напряжение* в нижней части слоя, МПа,
на расстоянии от оси действия нагрузки, см
0
16,5
3
165
264
0,05
0,05
0,02
-0,02
-0,01
0,68
0,51
0,15
-0,09
-0,03
Примечание..* Знак минус указывает, что напряжение сжимающее.
Деформации покрытия в нижней части слоя в направлении горизонтальной
оси приведены в табл. 4.19 из которой видно, что наибольшие растягивающие
деформации в нижней части чёрных слоёв составляют около 0,0005 при учёте
градиента модулей по толщине слоёв, тогда как расчёт, выполненный без учёта
градиента модулей, даёт более высокие значения деформаций растяжения —
около 0,001. В нижней части слоя покрытия при наличии «чёрного» основания
деформации растяжения незначительны и не превышают 0,00005—0,00007.
Деформации в нижней части слоёв покрытии
Вариант
Слой
1
1
2
1
2
3
1
2
3
4
2
3
Таблица 4.19
Деформации в нижней части слоя ε · 10-6
на расстоянии от оси действия нагрузки, см
0
16,5
33
165
264
-54
-29
66
7
7
983
657
108
16
-30
-198
-164
-56
27
12
9
-22
-45
10
5
507
342
222
-49
-15
-194
-163
-60
29
12
20
-23
-53
12
5
153
109
32
-17
-5
481
318
32
-47
-14
Вертикальные деформации во всех слоях являются сжимающими
(т. е. слои доуплотняются под нагрузкой) за исключением поверхностного слоя
покрытия в зоне действия нагрузки. Деформации растяжения в этой зоне достигают 0,00024 без учёта градиента модулей (вариант № 1) и 0,000095 при учёте
градиента модулей (варианты № 2 и № 3). Таким образом, поверхностный слой
покрытия под воздействием вертикальной нагрузки может разуплотняться.
Необходимо отметить, что значения напряжений и деформаций, приведённые в табл. 4.18 и 4.19, рассчитаны для одного конкретного примера и определённого температурного режима.
128
Приведённые выше значения напряжений и деформаций в слоях асфальтобетонных покрытий соответствуют средним значениям, определяемым исходя из
рассмотрения покрытия как однородной сплошной среды. Более детальный анализ напряжений и деформаций в слоях асфальтобетонных покрытий должен
учитывать неоднородность структуры материала. Микрографический анализ показывает, что распределение напряжений и деформаций в структуре, характерной для асфальтобетонов, весьма неоднородно, причём наибольшие деформации
возникают в плёнках вяжущего, а наибольшие напряжения — в зонах контакта
крупных минеральных частиц. Неоднородность поля напряжений и деформаций
в слоях асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать при обосновании
требований к применяемым материалам, анализе долговечности покрытий и их
деформационного поведения под действием эксплуатационных нагрузок.
Максимальные значения напряжений в местах контактов крупных минеральных частиц могут в несколько раз превышать средние значения напряжений в асфальтобетоне.
Именно этим обстоятельством объясняется изменение зернового состава
асфальтобетона в процессе эксплуатации, приводящее к увеличению содержания мелких частиц за счёт открашивания отдельных выступов крупных частиц
под воздействием пиковых «контактных» напряжений. Величина этих напряжений в многощебенистых смесях каркасного типа выше, чем в пластичных
смесях с относительно малым содержанием крупных частиц. Поэтому требования к прочности щебня в многощебенистых смесях выше, чем в смесях с преобладающим содержанием мелких частиц. С другой стороны, величины деформаций в плёнках битума значительно превосходят средние значения деформаций в асфальтобетоне. Поэтому требования к растяжимости битумов должны
устанавливаться с учётом того, что деформации асфальтобетона происходят
преимущественно за счёт деформации плёнок битума, тогда как деформации
собственно минеральных частиц при уровне напряжений, характерном для эксплуатационных условий, незначительны.
Вследствие нестационарности температурного режима покрытия значения напряжений в разных точках покрытия непрерывно меняются в процессе
эксплуатации. При этом общий уровень напряжений претерпевает как суточные, так и сезонные колебания.
Пример вариаций средних значений растягивающих напряжений, возникающих в результате совместного воздействия транспортных нагрузок и колебаний температуры, приведен для условий района Москвы в табл. 4.20.
Из данных, приведённых в табл. 4.20, видно, что величины напряжений в
покрытии могут изменяться в период эксплуатации более чем в два раза. Причём эти изменения происходят как в зависимости от времени года, так и в зависимости от погодных условий в один и тот же сезон года. Наиболее напряжёнными периодами эксплуатации для районов Москвы являются в условиях солнечной погоды февраль и март, а в пасмурную погоду — весь весенне-летнеосенний период.
129
Таблица 4.20
Вариации напряжённого состояния асфальтобетонного покрытия
в районе г. Москвы
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Напряжение, МПа
В солнечную погоду
В пасмурную погоду
в верхней
в нижней
в верхней
в нижней
части слоя
части слоя
части слоя
части слоя
0,51
0,65
0,34
0,51
0,84
1,06
0,36
0,53
0,71
0,87
0,34
0,51
0,49
0,64
0,64
0,95
0,39
0,54
0,58
0,87
0,36
0,0
0,54
0,81
0,34
0,49
0,52
0,77
0,35
0,50
0,52
0,77
0,40
0.56
0.55
0.81
0.47
0,64
0,57
0,85
0,55
0,76
0,30
0,44
0,41
0,54
0,32
0,48
Из данных, приведённых в табл. 4.21, видно, что в условиях континентального климата района Новосибирска наиболее напряжённым периодом работы покрытия являются зимнее месяцы (в ясную погоду). В пасмурную погоду
общий уровень напряжённости покрытия снижается из-за уменьшения амплитуды суточных колебаний температур.
Таблица 4.21
Вариации напряжённого состояния асфальтобетонного покрытия
в районе г. Новосибирска
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Напряжение, МПа
В солнечную погоду
В пасмурную погоду
в верхней
в нижней
в верхней
в нижней
части слоя
части слоя
части слоя
части слоя
0,67
0,84
0,33
0,49
0,74
0,86
0,34
0,50
0,68
0,84
0,31
0,46
0,42
0,55
0,26
0,39
0,31
0,44
0,49
0,73
0,28
0,40
0,44
0,65
0,29
0,39
0,42
0,63
130
Окончание табл. 4.21
Месяц
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Напряжение, МПа
В солнечную погоду
В пасмурную погоду
в верхней
в нижней
в верхней
в нижней
части слоя
части слоя
части слоя
части слоя
0,28
0,40
0,43
0,63
0,31
0,45
0,46
0,68
0,39
0,54
0,51
0,75
0,55
0,75
0,28
0,42
0,52
0,67
0,31
0,47
Из сопоставления данных табл. 4.20 и 4.21 видно, что в зависимости от
климатических условий работы асфальтобетонных покрытий их напряжённое
состояние даже в однотипных конструкциях может быть весьма различным.
Это указывает на необходимость детального анализа поведения асфальтобетонных покрытий под действием эксплуатационных нагрузок с учётом
особенностей климатических и эксплуатационных условий работы покрытий.
Проведённый анализ напряжений и деформаций, возникающих в асфальтобетонных покрытиях, для рассмотренных конструкций позволил выявить
влияние градиента модулей упругости по толщине конструктивных слоёв на
получаемые при расчёте значения напряжений и деформаций. Как следует из
данных, приведённых в табл. 4.18—4.20, вследствие значительных вариаций
значения модулей упругости слоёв асфальтобетонных покрытий, их вязкости,
напряжений и деформаций, возникающих в различных частях слоёв покрытий,
значения коэффициентов напряжённости покрытий в различные периоды эксплуатации будут существенно различаться, причём не только в разные сезоны
года, но и в пределах одного месяца (ясная и пасмурная погода) и даже одних
суток (ночные, утренние и дневные часы).
Как видно из табл. 4.22, значения коэффициентов напряжённости изменяются в зависимости от времени года и погодных условий в десятки раз, причём наличие облачности приводит к снижению коэффициентов напряжённости
в несколько раз.
Сезонные вариации коэффициентов напряжённости
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Таблица 4.22
Коэффициенты напряжённости асфальтобетонного покрытия
В пасмурную погоду
В солнечную погоду
0,12
0,34
0,27
2,14
0,02
1,10
0,27
1,39
131
Окончание табл. 4. 22
Месяц
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Коэффициенты напряжённости асфальтобетонного покрытия
В пасмурную погоду
В солнечную погоду
0,08
0,77
0,05
0,64
0,04
0,37
0,05
0,30
0,10
0,30
0,27
0,48
0,01
0,10
0,03
0,16
Наибольшие значения коэффициентов напряжённости для условий района Москвы отмечаются в период февраль-март-апрель, что соответствует наиболее опасным зимнему и весеннему периодам.
Нижние слои асфальтобетонного покрытия работают в среднем при более
низких температурах, чем верхние слои. Интенсивность колебаний температуры снижается с глубиной. Сопоставление значений коэффициентов напряжённости для верхней и нижней частей слоя асфальтобетонного покрытия в районе
Москвы показывает, что в период октябрь-январь коэффициент напряжённости
нижнего слоя в среднем в 2 раза выше коэффициента напряжённости верхнего
слоя, в остальное время года коэффициент напряжённости верхнего слоя в
1,5—2 раза выше коэффициента напряжённости нижнего слоя.
Анализ эксплуатационных условий работы покрытий с использованием
коэффициентов напряжённости позволяет на основе приведения разнообразных
условий работы в различные периоды года к расчётному режиму обосновать
методику выбора расчётного периода при оценке несущей способности асфальтобетонных дорожных покрытий и методику приведения получаемых данных
при натурных испытаниях в конкретных условиях к расчётным условиям.
Учёт переменного градиента температур в слоях асфальтобетонных покрытий и вариации деформативных и прочностных характеристик по толщине
слоёв показывает, что значения напряжений и деформаций, возникающих в
растянутой зоне, как правило, меньше, чем рассчитываемые без учёта указанного градиента.
Таким образом, учёт переменного градиента температур по толщине слоёв асфальтобетонных покрытий даёт основу для более рационального конструирования и строительства покрытий с учётом особенностей климатических
условий района расположения дороги.
В целях установления численных значений показателей деформативных и
прочностных свойств слоёв асфальтобетонных покрытий, требующихся для
анализа работы покрытий в различных климатических и эксплуатационных условиях, необходимо проведение экспериментальных исследований с определе132
нием для основных видов асфальтобетонов, применяемых при строительстве
дорожных покрытий, диапазона изменения значений указанных параметров в
эксплуатационном интервале температур и режимов нагружения.
Экспериментальные исследования показали существенное значение для
моделирования работы слоя асфальтобетонного покрытия под действием эксплуатационных нагрузок результатов испытаний, проводимых в режиме растяжения при динамическом изгибе.
Исследования прочности в условиях воздействия циклических, динамических нагрузок выявили существенное влияние водонасыщения на кинетику
усталостного разрушения асфальтобетонных покрытий.
Экспериментальными исследованиями определены необходимые для
анализа работы слоёв асфальтобетонных покрытий в различных условиях эксплуатации численные значения модулей упругости, вязкости, степени пластичности, прочности и коэффициентов усталости (табл. 4.23—4.25). Влияние водонасыщения на усталостную долговечность асфальтобетонов различного состава
показано в табл. 4.26.
Таблица 4.23
Показатели прочности и деформативности асфальтобетонов
песчаный
крупнозернистый
мелкозернистый
песчаный
Предельная
деформация
растяжения /
прочность
на растяжение,
МПа
мелкозернистый
Модуль
упругости,
МПа / прочность
при
динамическом
изгибе
при
50 °С
Типы асфальтобетонов
Горячий
Холодный
крупнозернистый
Характерные
численные
показатели
прочности
и деформативности
асфальтобетонов
-4,5
-4,0
-3,5
-2,5
-2,0
-1,5
2500
12,0
5000
8,0
10000
4,0
0,0130
1,2
0,0050
2,0
0,0015
3,0
2000
11,5
4000
7,0
9000
3,5
0,0110
1,4
0,0045
1,8
0,0012
2,7
1400
6,5
2800
8,5
4200
4,0
0,0196
0,5
0,0077
1,3
0,0036
2,2
3750
12,5
5500
0 °С
9,0
11000
-20 °С
4,4
0,0150
20 °С
1,0
0,0058
0 °С
2,2
0,0018
-20 °С
3,3
20 °С
133
1250
1000
6,0
5,5
2500
2000
8,0
7,5
4000
3800
3,5
3,0
0,0180 0,0168
0,6
0,7
0,0068 0,0056
1,2
1,1
0,0030 0,0204
1,8
2,0
Окончание табл. 4.23
крупнозернистый
мелкозернистый
песчаный
0 °С
песчаный
20 °С
мелкозернистый
50 °С
Вязкость
при сдвиге,
МПа ∙ с / пластичность
при изгибе
крупнозернистый
Типы асфальтобетонов
Горячий
Холодный
Характерные
численные
показатели
прочности
и деформативности
асфальтобетонов
200
0,48
2*106
0,33
3*108
0,18
70
0,50
5*105
0,35
108
0,20
20
0,53
5*104
0,37
4*107
0,21
6
0,60
2*103
0,42
106
0,33
2
0,62
103
0,45
3*105
0,35
1
0,65
400
0,48
3*104
0,37
Таблица 4.24
Значения коэффициентов усталости, Пуассона
и линейного температурного расширения асфальтобетонов
крупнозернистый
мелкозернистый
песчаный
Значения
коэффициента
линейно температурного
расширения
песчаный
Значения
коэффициента
Пуассона
мелкозернистый
Значения
коэффициента
усталости
крупнозернистый
Показатели
прочностных
и деформационных
характеристик
асфальтобетонов
Типы асфальтобетонов
Горячий
Холодный
при 20
°С
0,25
0,28
0,32
0,42
0,45
0,48
0 °С
0,17
0,18
0,19
0,25
0,27
0,30
-20 °С
0,11
0,12
0,13
0,15
0,16
0,17
20 °С
0,42
0,41
0,40
0,47
0,46
0,45
0 °С
0,36
0,35
0,34
0,41
0,40
0,39
-20 °С
0,26
0,25
0,24
0,31
0,30
0,29
20 °С
0,000020
0,000022 0,000024 0,000025 0,000027
0,000030
0 °С
0,000012
0,000014 0,000016 0,000017 0,000018
0,000020
-20 °С
0,000010
0,000010 0,000012 0,000013 0,000014
0,000015
134
Состав
асфальтобетона
Температура
°С
Таблица 4.25
Значения усталостной долговечности асфальтобетонов
в сухом и водонасыщенном состоянии
1
2
3
1
2
3
Усталостная долговечность асфальтобетона в состоянии
сухом
влажном
Число циклов нагружения при амплитуде прогиба, см
0,045
0,037
0,030
0,045
0,037
0,030
20
22516
21878
21040
49476
66440
62046
148749
136114
122066
11264
8912
12166
26040
28644
26988
77960
79433
-
20
12599
12986
11714
33852
43186
51012
94822
94916
94882
10060
7910
8568
22908
24122
24000
52100
58876
20
22998
24165
22075
71176
72044
72086
173510
175279
174774
9886
9512
9732
29775
30980
30010
70706
61200
-
0
35172
34474
34998
87352
91310
84047
268020
260335
247890
11888
-7244
20832
26040
23966
61444
62876
0
38192
40046
30246
99260
105052
96642
329779
340245
333112
12579
12408
-
39060
42255
36708
-102852
91120
0
42226
41664
41967
129220
132190
134975
438970
446012
455096
15388
15136
-
56420
47740
42110
114776
-133126
Таблица 4.26
Влияние водонасыщения на усталостную долговечность асфальтобетона
Номер серии
1
2
3
Долговечность влажных образцов в долях
от долговечности сухих образцов
при амплитуде прогиба, см
0,045
0,037
0,080
при 20 °С
0,482
0,495
0,495
0,537
0,608
0,572
0,644
0,601
0,725
135
Окончание табл. 4.26
Номер серии
Долговечность влажных образцов в долях
от долговечности сухих образцов
при амплитуде прогиба, см
0,045
0,037
0,080
при 20 °С
4
5
6
7
8
9
10
0,934
0,604
0,663
0,713
0,589
0,421
0,510
0,821
0,419
0,548
0,554
0,535
0,422
0,603
0,831
0,548
0,562
0,585
0,468
0,378
0,426
при 0 °С
1
7
9
0,275
0,319
0,364
0,270
0,392
0,369
0,241
0,289
0,277
Таким образом, характерной особенностью асфальтобетонных покрытий
являются значительные вариации их свойств в процессе эксплуатации, требующие рассмотрения поведения покрытий как конструкций с нестационарными эксплуатационными характеристиками, что даёт основу для разработки путей дальнейшего повышения эффективности их строительства и ремонта.
Исследования влияния климатических и эксплуатационных условий на
работу дорожных асфальтобетонных покрытий показали, что вследствие непрерывных изменений характеристик асфальтобетонных покрытий в результате
сезонных и суточных колебаний температуры и, следовательно, переменного
градиента модулей упругости, а также характеристик вязкости и прочности по
толщине слоёв асфальтобетонных покрытий, различий работы слоёв расположенных на разной глубине значения коэффициентов напряжённости асфальтобетонного покрытия в различные периоды эксплуатации могут различаться в
десятки раз, причём общий коэффициент условий работы в значительной степени зависит от особенностей температурного режима слоя покрытия, особенностей эксплуатационного режима покрытия и характеристик слоя, что предопределяет необходимость детального анализа влияния климатических условий,
режимов воздействия эксплуатационных нагрузок и особенностей конструкции
дорожной одежды при обосновании требований к характеристикам слоёв асфальтобетонных покрытий для различных условий применения и разработке
технических решений, направленных на повышение эффективности и качества
строительства и ремонта дорог.
136
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте влияние климатических и эксплуатационных условий
на работу асфальтобетона в дорожных конструкциях.
2. Каковы сезонные и суточные вариации свойств асфальтобетона в дорожных конструкциях?
3. Охарактеризуйте особенности работы асфальтобетона в дорожных
покрытиях в разные сезоны года. Поясните значение коэффициентов напряженности.
4. Каково влияние особенностей воздействия транспортных нагрузок на
работу асфальтобетона в дорожном покрытии (на уклонах, в зоне торможения,
влияние интенсивности и состава движения)?
5. Проведите сравнение деформативных и прочностных характеристик
горячих и холодных асфальтобетонов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Асфальтобетон является основным строительным материалом, который
применяется при строительстве и ремонте дорожных покрытий. Поэтому подробная характеристика свойств материала и составляющих его компонентов,
сведения о путях повышения качества асфальтобетона и методах оценки его
долговечности имеют чрезвычайно важное практическое значение.
Строительство и ремонт дорожных асфальтобетонных покрытий требуют значительных затрат всех видов ресурсов. В связи с этим все большее внимание уделяется вопросам повышения качества и увеличения срока службы асфальтобетона. Повышение эффективности строительства и ремонта дорожных
покрытий может быть достигнуто путем использования научных разработок в
области применения в составе асфальтобетонных смесей модифицированных
вяжущих. Учет специфических особенностей асфальтобетона необходим для
правильного выбора вида, типа асфальтобетона и применяемых для его приготовления компонентов, и, в первую очередь, органического вяжущего. Только
после тщательного анализа климатических и эксплуатационных условий работы асфальтобетонного покрытия в дорожной конструкции, рационального выбора всех компонентов асфальтобетона, оценки усталостных свойств принятого
компонентного состава асфальтобетона можно будет обеспечить требуемое качество и долговечность дорожного асфальтобетонного покрытия.
Проработка всех разделов учебного пособия создает предпосылки для
подготовки специалистов высокой квалификации, способных успешно работать
в дорожном хозяйстве нашей страны.
137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Агейкин В. Н. Эксплуатационная надежность асфальтобетонных покрытий в сложных природно-климатических условиях (Материаловедческие
аспекты): учеб. пособие / В. Н. Агейкин, Л. Е. Свинтицких, Е. В. Кошкаров. —
СПб.: Стройиздат СПб, 2003. — 160 с.
2. Гезенцвей Л. Б. Дорожный асфальтобетон / Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, А. М. Богуславский. — М.: Транспорт, 1985. — 350 с.
3. Горелышев Н. В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы / Н. В. Горелышев. — М.; Можайск: Терра, 1995. — 176 с.
4. Гохман Л. М. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе
СБС для дорожного строительства / Л. М. Гохман [и др.]: информационный
сборник. — М.: Информавтодор, 2002. — Вып. 4. — 112 с.
5. Гохман Л. М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС: учеб. пособие. – М.: ЗАО «ЭНОН-ИНФОРМ»,
2004. — 510 с.
6. Илиополов С. К. Органические вяжущие для дорожного строительства:
учеб. пособие для вузов / С. К. Илиополов [и др.]. — М.: Юг, 2003. — 428 с.
7. Калгин Ю. И. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов / Ю. И. Калгин. — Воронеж: изд-во Воронеж. гос.
ун-та, 2006. — 272 с.
8. Руденский А. В. Дорожные асфальтобетонные покрытия / А. В. Руденский. — М.: Транспорт, 1992. — 255 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
9. Бахрах Г. С. Старение асфальтобетонных покрытий и пути его решения /
Г. С. Бахрах // Дорожно-строительные материалы: тр. ГипродорНИИ. — М., 1974. —
Вып. 9. — С. 84—96.
10. Битумные материалы: пер. с англ. / под ред. А. Дж. Хойберга. — М.: Химия,
1974. — 248 с.
11. Богуславский А. М. Основы реологии асфальтобетона / А. М. Богуславский,
Л. А. Богуславский. — М.: Высш. шк., 1972. — 200 с.
12. Богуславский А. М. Прогнозирование сдвиго- и трещиностойкости асфальтобетонных аэродромных покрытий / А. М. Богуславский // Строительство аэродромов: тр. МАДИ. — М., 1974. — Вып. 57. — С. 49—58.
13. Богуславский А. М. Зависимость реологических свойств асфальтобетона от
его состава и структуры / А. М. Богуславский, И. А. Сархан, Л. Г. Ефремов // Автомобильные дороги. — 1977. — № 8. — C. 22—24.
14. Бодан А. Н. Роль температуры в процессе получения окисленных битумов /
А. Н. Бодан // Исследование свойств битумов, применяемых в дорожном строительстве: тр. СоюздорНИИ. — М., 1970. — Вып. 46. — С. 48—54.
138
15. Бодан А. Н. Влияние температуры окисления на состав и свойства битумов /
А. Н. Бодан, О. М. Кулик, В. И. Храпко // Структурообразование, методы испытаний
и улучшения технологии получения битумов: тр. СоюздорНИИ. — М., 1971. —
Вып. 49. — С. 141—150.
16. Бунин М. В. О механизме усталостного разрушения материалов слоев дорожных одежд / М. В. Бунин, Б. С. Радовский // Строительство и эксплуатация дорог
и мостов. — Киев: Будивельник, 1974. — 125 с.
17. Вонк В. О поведении СБС полимеров в битуме и возможности их применения для улучшения качества и срока службы дорожного покрытия в условиях России
/ В. Вонк, Р. Хартеминк, С. О. Токарев // Автомобильные дороги. — 2002. — № 11. —
С. 68—70.
18. Гегелия Д. И. Сезонные изменения свойств асфальтобетона / Д. И. Гегелия,
Л. В. Гезенцвей // Автомобильные дороги. — 1977. — № 2. — С. 24—25.
19. Гезенцвей Л. Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов / Л. Б. Гезенцвей. — М.: Стройиздат, 1971. — 225 с.
20. Гордеев С. О. Деформации и повреждения дорожных асфальтобетонных
покрытий / С. О. Гордеев. — М., 1963. — 132 с.
21. Горелышев Н. В. Без дефектов и ремонтов / Н. В. Горелышев // Дороги
России 21 века. — 2002. — № 3. — С. 56—57.
22. Гохман Л. М. Битумно-полимерное вяжущее с применением дивинилстирольных термоэластопластов / Л. М. Гохман // Тр. СоюздорНИИ. — М., 1971. —
Вып. 50.
23. Гохман Л. М. Пластификатор «за» и «против» / Л. М. Гохман // Автомобильные дороги. — 2003. — № 1. — С. 56—58.
24. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов / И. Б. Грудников. — М.:
Химия, 1983. — 192 с.
25. Губач Л. С. Взаимосвязь между сцеплением и углом внутреннего трения в
асфальтобетоне / Л. С. Губач // Повышение эффективности применения цементо- и
асфальтобетонов в Сибири. — Омск, 1970. — Вып. 1. — С. 103—111.
26. Губач Л. С. Состояние и перспективы развития теории термовязкоупругости асфальтобетона / Л. С. Губач // Повышение эффективности применения цементов
и асфальтобетонов в Сибири. — Новосибирск, 1977. — Вып. 4. — С. 16—35.
27. Гун Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун. — М.: Химия, 1973. — 286 с.
28. Догадкин Б. А. Химия эластомеров / Б. А. Догадкин. — М.: Химия, 1972. —
391 с.
29. Золотарев В. А. Долговечность дорожных асфальтобетонов / В. А. Золотарев. — Харьков: Высш. шк., 1977. — 155 с.
30. Иванов Н. Н. Причины образования трещин в асфальтобетонных покрытиях / Н. Н. Иванов [и др.]. // Тр. МАДИ. — 1953. — Вып. 15.
31. Иванов Н. Н. Устойчивость асфальтобетонных покрытий при высоких
температурах / Н. Н. Иванов // Повышение качества асфальтобетона: тр. СоюздорНИИ. — М., 1975. — Вып. 79. — С. 21—25.
32. Калгин Ю. И. Экономическая целесообразность применения модифицированных битумов при устройстве верхних слоев асфальтобетонных покрытий /
Ю. И. Калгин // Дороги России 21 века. — 2002. — № 3. — С. 69—71.
139
33. Калгин Ю. И. Как продлить дорожный век / Ю. И. Калгин, В. В. Чересельский // Автомобильные дороги. — 2003. — № 1. — С. 86—87.
34. Калгин Ю. И. Технико-экономические аспекты повышения межремонтных
сроков дорожных одежд / Ю. И. Калгин, В.В. Говоров // Научный вестник ВГАСУ. Серия: Дорожно-транспортное строительство. — Воронеж, 2003. — Вып. 1. — С. 47—51.
35. Калгин Ю. И. Физико-механические свойства и усталостная долговечность
холодных битумоминеральных материалов на основе модифицированных жидких битумов / Ю. И. Калгин, А. А. Михайлов // Научный вестник ВГАСУ. Серия: Дорожнотранспортное строительство. — Воронеж, 2004. — Вып. 2. — С. 146—149.
36. Калгин Ю. И. Улучшение свойств асфальтобетонных смесей добавками
синтетических каучуков / Ю. И. Калгин, Н. И. Свиридова // Мат. науч.-практ. конф.
«Дороги Башкирии — 2003». — Уфа: изд-во ГУП ИНХП, 2003. — С. 54—58.
37. Каргин Б. А. Краткие очерки по физико-химии полимеров / Б. А. Каргин,
Г. Л. Слонимский. — М.: Химия, 1964. — 232 с.
38. Кирпичников Г. А. Химия и технология синтетического каучука / Г. А. Кирпичников [и др.]. — Л.: Химия, 1970. — 528 с.
39. Кирюхин Г. Н. Повышение сдвигоустойчивости асфальтобетона с добавками полимеров / Г. Н. Кирюхин, В. М. Юмашев // Автомобильные дороги. — 1992. —
№ 7—8. — С. 18—22.
40. Колбановская А. С. Структурообразование дорожных битумов / А. С. Колбановская, А. Р. Давыдова, О. Ю. Сабсай // Физико-химическая механика дисперсных
структур. — М.: Наука, 1966. — С. 103—113.
41. Колбановская А. С. Структурообразование дорожных битумов / А. С. Колбановская [и др.] // Докл. АНСССР. — М.: изд-во АН СССР, 1965. — 882 с.
42. Колбановская А. С. Дорожные битумы / А. С. Колбановская, В. В. Михайлов. — М.: Транспорт, 1973. — 246 с.
43. Колбановская А. С. Регулирование процессов структурообразования нефтяных битумов добавками дивинил-стирольного термоэластопласта / А. С. Колбановская, Л. М. Гохман, К. И. Давыдова // Коллоидный журн. — Т. 34, № 4. — 1972. —
С. 6—17.
44. Кретов В. А. Эффективный путь повышения срока службы дорожных
одежд / В. А. Кретов, В. П. Лаврухин // Наука и техника в дорожной отрасли. —
1999. — № 3. — С. 16—19.
45. Кретов В. А. Проблемы повышения качества дорожных битумов: экономические и технические аспекты / В. А. Кретов, А. В. Руденский // Дороги России 21 века. — 2002. — № 3. — С. 62—65.
46. Ладыгин Б. И. Прочность и долговечность асфальтобетона / Б. И. Ладыгин
[и др.]. — Минск: Наука и техника. — 1972. — 285 с.
47. Лаврухин В. П. Свойства асфальтобетонов на модифицированных битумах /
В. П. Лаврухин, Ю. И. Калгин // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. —
№ 1. — С. 14—18.
48. Лысихина А. И. Применение резины для улучшения эксплуатационных качеств асфальтобетонных покрытий / А. И. Лысихина // Автомобильные дороги. —
1956. — № 8. — С. 10—11.
49. Макк Ч. Физическая химия битумов / Ч. Макк // Битумные материалы: асфальты, смолы, пеки / под ред. А. Дж. Хойберга. — М.: Химия, 1974. — С. 7—86.
140
50. Микрин В. И. Улучшение качества асфальтобетона модификацией битума
добавкой дивинилового эластомера / В. И. Микрин, А. М. Богуславский, В. П. Лаврухин // Автомобильные дороги. — 1979. — № 11. — С. 25—26.
51. Никишина М. Ф. Применение полимеров для улучшения свойств битумов
и битумоминеральных смесей / М. Ф. Никишина, В. А. Захаров // Исследование органических вяжущих материалов и битумоминеральных смесей для дорожного строительства: тр. СоюздорНИИ. — М., 1969. — Вып. 34. — С. 47—52.
52. Никольский Ю. Е. Исследование реологических свойств асфальтобетона при
отрицательных температурах / Ю. Е. Никольский, А. Г. Широков, В. М. Писклин //
Повышение качества асфальтобетона: тр. СоюздорНИИ. — М., 1975. — Вып. 79. —
С. 49—55.
53. Печенный Б. Г. Битумы и битумные композиции / Б. Г. Печенный. — М.:
Химия, 1990. — 256 с.
54. Применение полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров
типа СБС: сб. статей. — М. : Центр метрологии, испытаний и сертификации МАДИ(ТУ), 2001. — 108 с.
55. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика дисперсных структур /
П. А. Ребиндер // Физико-химическая механика дисперсных структур. — М.: Наука,
1966. — С. 6—12.
56. Ребиндер П. А. Образование и механические свойства дисперсных структур / П. А. Ребиндер // Журнал Всесоюз. химич. общества им. Д. И. Менделеева. —
1983. — Т. 8, № 2. — С. 162—170.
57. Рейнер М. Деформация и течение / М. Рейнер. — М.: Госиздат, 1963 — 381 с.
58. Розенталь Д. А. Нефтяные окисленные битумы / Д. А. Розенталь. — Л.:
Знание, 1973. — 46 с.
59. Розенталь Д. А. Изменение свойств дорожных битумов при контактировании с минеральным наполнителем / Д. А. Розенталь, А. М. Сыроежко // Химия и технология топлив и масел. — 2000. — № 4. — С. 41—45.
60. Руденская И. М. Нефтяные битумы, химический состав, коллоидная структура, свойства и способы производства / И. М. Руденская. — М.: Росвузиздат, 1963. —
211 с.
61. Руденская И. М. Органические вяжущие для дорожного строительства /
И. М. Руденская, А. В. Руденский. — М.: Транспорт, 1984. — 229 с.
62. Руденская И. М. Реологические свойства битумов / И. М. Руденская,
А. В. Руденский. — М.: Высш. шк., 1967. — 118 с.
63. Руденская И.М. Использование отходов потребления и производства технической резины в дорожном строительстве/ И. М. Руденская, А. В. Руденский. —
М.: ОИ ЦБНТИ Росавтодора. — Вып. 2, 1992. — 39 с.
64. Руденский А. В. Опыт строительства дорожных асфальтобетонных покрытий в разных климатических условиях / А. В. Руденский. — М.: Транспорт, 1983. —
64 с.
65. Руденский А. В. Повышение эффективности и качества строительства дорожных асфальтобетонных покрытий / А. В. Руденский. — М.: Транспорт, 1982. — 61 с.
66. Руденский А. В. Закономерности усталостного разрушения дорожных
одежд / А. В. Руденский, Б. С. Радовский, С. В. Коновалов // Тр. ГипродорНИИ. —
1975. — Вып. 10. — С. 3—8.
141
67. Руденский А. В. Реологические свойства битумоминеральных материалов /
А. В. Руденский, И. М. Руденская // М.: Высш. шк., 1971. — 131 с.
68. Рыбьев И. А. Асфальтовые бетоны / И. А. Рыбьев. — М.: Высш. шк., 1969. —
396 с.
69. Рыбьев И. А. Строительное материаловедение : учеб. пособие для строительных вузов. — М.: Высш. шк., 2003. — 701 с.
70. Соболев В. М. Промышленные синтетические каучуки / В. М. Соболев, И.
В. Бородина. — М.: Химия, 1971. — 392 с.
71. Соседко С. Н. Использование адгезионных ПАВ в асфальтобетоне с применением ПБВ / С. Н. Соседко [и др.] // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. —
№ 3. — С. 28—30.
72. Сюньи Г. К. Дорожный асфальтовый бетон / Г. К. Сюньи. — Киев: Гострансиздат УССР, 1962. — 236 с.
73. Томпсон Д. К. Каучуковые модификаторы / Д. К. Томпсон // Битумные материалы: асфальты, смолы, пеки / под ред. А. Дж. Хойберга. — М.: Химия, 1974. —
С. 216—241.
74. ТУ 2294-001-41201704—97. Растворы каучуков в сланцевом масле для дорожного строительства. — Воронеж, 1997. — 11 с.
75. ТУ 5718-004-03443057—98. Битумно-каучуковые вяжущие для дорожного
строительства. — Воронеж, 1998. — 10 с.
76. ГОСТ 9128-97 Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. – М.: изд-во стандартов, 1997. – 15 с.
77. ГОСТ 22245 – 90 Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. – М.: изд-во стандартов, 1990. – 9 с.
78. ГОСТ 12801 – 98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний. – М.: изд-во стандартов,
1998. – 31 с.
142
Учебное издание
Руденский Андрей Владимирович
Калгин Юрий Иванович
ДОРОЖНЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫЕ ПОКРЫТИЯ
НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИТУМАХ
Учебное пособие
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Автомобильные дороги и аэродромы»
Редактор Лантюхова Н.Н.
Подписано в печать 15.05.2009. Бумага писчая. Уч.-изд. л. 9,0.
Усл. печ. л. 9,1. Тираж 300 экз. Заказ №
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
394006 г. Воронеж, ул. 20-лет Октября, 84
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
269
Размер файла
3 028 Кб
Теги
битумах, асфальтобетонные, модифицированные, дорожные, покрытия, 336, руденский
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа