CC BY
88Поздняков М.К., аспирант МАДИ (ГТУ), ведущий эксперт ФГУ «Росдортехнология»
ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА
КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЮ
В статье рассмотрены основные типы образования колеи на асфальтобетонных покрытиях, проведен краткий анализ причин образования каждого из видов, а так же рассмотрены методы испытания позволяющие оценить сопротивляемость асфальтобетона колееобразованию. В статье приведена характерная кривая колееобразования с анализом каждого из характерных участков и факторов, влияющих на образование пластической колеи. В статье приведены результаты испытания, проведенные автором на установке испытания колесной нагрузкой и описаны возможные пути совершенствования методики.
Ключевые слова: колеообразивание, дорожная одежда, микродеформации, пневматичекие колеса, сдвигоустойчивость
Колееобразование на асфальтобетонных покрытиях в настоящее время являются одной из актуальных проблем для дорожной отрасли не только в России и во многих странах мира. Колееобразование определяется как накопление незначительных по величине необратимых микродеформаций от многократного воздействия колесной нагрузки на покрытие из асфальтобетона. Как показывают исследования [1], разрушение от сдвигового напряжения в асфальтобетонном покрытии в основном происходит в верхних 100 мм асфальтобетонного покрытия.
Колееобразование наносит серьезный экономический ущерб дорожному хозяйству страны, так как делает невозможным эксплуатацию асфальтобетонных покрытий, отвечающих прочностным показателям по причине их чрезмерной деформации. Колееобразование не только снижает срок службы покрытия, но и создает угрозу для участников дорожного движения за счет дополнительных трудностей при перестроении автомобиля и скапливающейся в колее воды, которая в свою очередь может привести к эффекту аквапланирования или резкому ухудшению сцепных качеств покрытия за счет замерзания воды в ней.
В настоящее время исследователями выделяется 3 вида колееобразования [2, 12]:
1. Пластическое колееобразование, которое происходит из-за накопления незначительных по величине сдвиговых деформаций и зависит от свойств асфальтобетона и вида вяжущего, которое в нем применяется.
2. Абразивное колееобразование, которое образуется при истирающем воздействии шин, особенно шипованных.
3. Колееобразование по всей толщине дорожной одежды, которое происходит по причине недостаточной прочности дорожной одежды, приводящей к деформированию всех слоев, включая рабочий слой земляного полотна.
Каждый из указанных типов колееобразования имеет свои потенциальные пути решения, которые кроются, прежде всего, в устранении или смягчении тех факторов, которые его вызывают [4].
В исследованиях, проведенных в странах Европейского союза и США, с целью определить, какой асфальтобетон более предрасположен к образованию колеи, дорожные администрации многих стран мира пришли к выводу о необходимости применения методов испытания асфальтобетона колесной нагрузкой, как дополнительных методов в процедуре проектирования асфальтобетона и дорожной одежды в целом. В процессе развития этих методов в странах Европы и Северной Америки были проведены многочисленные испытания [1,3,5-11], подтверждающие корреляцию между поведением асфальтобетона в процессе лабораторных испытаний и его работой в покрытии.
В настоящее время в ряде зарубежных стран применяются следующие основные группы средств по оценке сопротивляемости асфальтобетона колееобразованию. Первой группой являются лабораторные методы, которые предусматривают испытание на колееобразование асфальтобетонных образцов при температурах до 70оС погруженных в воду или находящихся в климатической камере при температуре испытания посредством
приложения многократной колесной нагрузки (рис. 1).
Рисунок 1 - Устройство для испытания асфальтобетона на колееобразование с помощью многократного приложении колесной нагрузки ^ТБ)/
Второй группой являются установки ускоренного испытания, которые, как правило, для испытаний используют полноразмерные колеса, а испытания проводятся как на асфальтобетонных слоях, так и на конструкциях дорожной одежды (рис. 2). Преимущество
данных установок является то, что они максимально приближают испытания асфальтобетона или дорожной одежды к условиям эксплуатации в реальных условиях, однако требуют значительных затрат.
Рисунок 2 - Установка уско Еще одной группой средств являются испытательные полигоны (рис 3), которые создаются с целью оценки применения новых конструктивных решений, материалов техники, в том числе и оценки эффективности материалов и конструкций на предмет колееобразования.
ного испытания ЬГ№ШАСК, Дания. Использование полигонов позволяет оценивать применяемые решения в условиях реального климата и задавать транспортные конкретные транспортные нагрузки для оценки их воздействия на состояние конструкции в определенных условиях.
Рисунок 3 - Испытательный полигон в США.
Наибольшее распространение при лабораторной оценки сопротивляемости асфальтобетона к колееобразованию получили лабораторные методы, построенные на принципе прокатывающегося колеса. Самые применяемые среди этих методов стали следующие:
• Анализатор асфальтобетонного покрытия, США (Asphalt pavement analyzer, APA);
• Гамбургское устройство испытания на колееобразование, Германия (Hamburg Wheel Tracking Device - HWTD);
• Устройство испытания на колееобразование лаборатории LCPC Франция (LCPC Wheel Tracker или French Rutting Tester -FRT);
• Устройство нагружения колесной нагрузкой, Великобритания (Wheel Tracking Device - WTD), и ряд других.
При кратком рассмотрении каждого конкретного метода стоит отметить их различия по некоторым их характеристикам. Среди всех характеристик наиболее важны следующие: величина образцов и нагрузки, прикладываемой к ним, так некоторые приборы способны испытывать только плиты (HWTD), а другие и плиты и цилиндрические образцы (WTD, APA). Кроме того, в различных лабораторных методах применяются различные типы колеса. Среди них могут встречаться металлические (HWTD), металлические с резиновой накладкой (WTD), металлические, совершающие движение по пневматическому шлангу с воздухом
определенного давления (АРА), уменьшенная копия реального пневматического колеса (БЯТ). У каждого из видов колеса есть свои преимущества и недостатки. Так, например металлическое колесо просто в изготовлении и использовании, однако оно не совсем точно воспроизводит воздействие на материал, в результате чего он может начать крошиться в процессе испытания, чего не наблюдается при использовании остальных типов колес. Однако, исследования, проведенные с использованием Н^ТБ показали, что износостойкость материала, определяемая по количеству циклов испытания до начала крошения материала под колесом, хорошо коррелируется с характеристиками прочности и истираемости щебня. Характерная кривая для Н^ГО показана на рис. 4, для других устройств, в общем случае, характерны два первых участка кривой.
Применение пневматических колес и металлических колес, прикладываемых через пневматический шланг весьма сложно в связи с поддержанием в них нужного давления и более сложной конструкции, однако их применение максимально приближает процесс испытания к реальным условиям работы материала в покрытии. Помимо перечисленных выше, так же применяются металлические колеса с резиновой накладкой, которые сочетают в себе преимущества всех остальных видов колес, предотвращают дробление материала во время испытания, а так же просты в применении.
Рисунок 4 - Характерная кривая образования
При всем разнообразии условий испытаний, которые могут быть созданы приборами испытания колесной нагрузкой, они преследуют одну цель - оценить насколько тот или иной материал способен сопротивляться образованию колеи.
Автором, в рамках работы, при оценке сопротивляемости асфальтобетона
колееобразованию был использован прибор WTD (рис 1), отвечающий требованиям EN 12698-22. Данный прибор имеет обрезиненное металлическое колесо, на которое прикладывается нагрузка в 520 Н. Колесо движется по цилиндрическому образцу диаметром 150 мм или образцу-плите со стороной 305 мм.
В рамках испытаний проводившихся на цилиндрических образцах были исследованы асфальтобетон типа Б марки 1 по ГОСТ 9128 и ЩМА-20 по ГОСТ 31015. Оба материала были испытаны на битуме БНД 60/90 и ПБВ 90.
Уплотнение цилиндрических образцов проводилось с использованием Gyratory Test Machine по EN 12698-31. Уплотнение образцов с помощью данной установки производится посредством совместного вертикального давления на образец и вращательного движения, которое приводит к смещениям в материале, позволяющим более плотно упаковывать зерна материала и получать образцы заданной
колеи, полученная с применением лабораторных методов. плотности. Уплотнения на приборе проводились до одного уровня плотности.
Образцы испытывались сериями по 3 образца асфальтобетона каждого вида на каждом вяжущем (всего 4 серии) в течение 5 часов. Результаты испытания позволили получить результаты, коррелирующиеся с результатами полученными за рубежом в части общих закономерностей.
Основными результатами испытаний стали следующие результаты:
1. кривая развития колееобразования имеет 2 ярко выраженных участка: кривая доуплотнения и кривая ползучести;
2. прослеживается зависимость конечной глубины колеи, глубины колеи по завершении участка доуплотнения и величины наклона кривой ползучести в зависимости от характеристик испытываемого асфальтобетона и типа применяемого вяжущего;
3. глубина колеи в точке окончания кривой доуплотнения коррелируется с остаточной пористостью образца и является тем больше, чем больше остаточная пористость образцов.
Так, например, глубина колеи по результатам испытания составила большее значение в образцах, где применялся обыкновенный битум, а в образцах, где применялось ПБВ той же вязкости, глубина колеи была значительно ниже.
В зависимости от вида применяемого вяжущего так же менялся наклон кривой ползучести, характеризующийся
коэффициентом колееобразования
h3000 _ h1000
(КК = ——— (мм / Ю00проходов)), так
для ЩМА этот коэффициент составлял в районе 0,67 мм на 1000 проходов колеса, а для асфальтобетона типа Б 0,87 мм на 1000 проходов колеса. В случае применения вместо обыкновенного битума ПБВ той же вязкости коэффициент колееобразования снижался. Это можно объяснить тем, что ЩМА имеет более плотную каркасную структуру, которая характеризуется большей сдвигоустойчивостью, в случае оценке по методам ГОСТ 12801. Применение же ПБВ позволяет добиться сокращения накопления микроскопических деформаций в асфальтобетоне за счет большей эластичности этого вяжущего.
Однако, как выяснилось в процессе проведения испытаний, при использовании цилиндрических образцов диаметром 150 мм, приготовленных с помощь Gyratory Test Machine наблюдается большой разброс данных, получаемых в ходе эксперимента. Возможно, это связано с относительно маленьким диаметром образца, что приводит к тому, что форма колеи на продольном срезе образца представляет собой дугу, а не ровную линию, как происходит в случае применения образцов -плит.
Для разработки более объективного метода оценки сопротивляемости на колееобразования были проведены совместные испытания со специалистами НТУ в г. Киеве, которые показали, что в случае применения образцов-плит наблюдается более высокая сходимость результатов.
Очевидно, что для накопления информации о способности асфальтобетонов сопротивляться колееобразованию необходимо разработать методику, характеризующуюся наибольшей сходимостью результатов и позволяющую минимизировать воздействие условий испытания на результаты. Первоочередными задачами, по мнению автора, являются разработка метода, позволяющего испытывать относительно большие образцы, уплотненные в условиях близким к условиям уплотнения катком. Кроме того, испытательная установка должна создавать равномерное распределение температуры внутри испытательной камеры и обеспечивать термостатирование образца.
Помимо этого, при накоплении результатов испытаний и оценки их по различным расчетным параметрам необходимо определить наиболее показательные из них.
Разработка такого метода оценки сопротивляемости асфальтобетона
колееобразованию позволит усовершенствовать процедуру проектирования асфальтобетона и повысить стойкость покрытий к образованию в них колеи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
1. L.Allen Cooley Jr., Prithvi S. Kandhal, M. Shane Buchanan, Loaded wheel testers in the United States: state of the practice. NCAT Report 00-04, 2000.
2. Поздняков М.К. Опасная колея // Дороги содружества №4.- М. 2008.
3. Validation of Asphalt binder and mixture tests that measure rutting susceptibility, Kevin D. Stuart, Walaa S. Mogawer, and Pedro Romero, FHWA-RD-99-204, 2000.
4. Поздняков М.К., Быстров Н.В. Зарубежный опыт оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона. // Ассоциация исследователей асфальтобетона. Сборник статей и докладов. - М. 2009.
5. John B. Metcalf, Application of Full-scale Accelerated Pavement Testing, NCHRP SYNTHESIS 235, 1996.
6. Significant Findings from Full-Scale Accelerated Pavement Testing, NCHRP SYNTHESIS 325, 2004.
7. Larry Santucci, Rut resistant asphalt pavements, Institute of Transportation Studies, 2002.
8. Prithvi S. Kandhal, L. Allen Cooley, Accelerated Laboratory Rutting Tests: Evaluation of the Asphalt Pavement Analyzer. NCHRP Report 508, 2003.
9. Kevin D. Stuart, Walaa S. Mogawer, Validation of asphalt binder and mixture tests that measure rutting susceptibility using the accelerated loading facility. FHWA Report RD -99-204, 1999.
10. J. Perret, A.-G. Dumont, J.-C. Turtschy. Assessement of resistance to rutting of high modulus bituminous mixtures using full-scale accelerated loading tests. 3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress Vienna 2004 - Paper 208.
11. L.J.M. Houben, C.H. Vogelzang. LINTRACK rutting research project - ALT testing program. Road and Railroad Research Laboratory, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands 2002.
12. СТО ГК «Трансстрой»-007-2007 Асфальтобетон. Метод оценки устойчивости к образованию колеи пластичности.
13. EN 12697-22 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Wheel tracking.
14. EN 12697-31 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Preparation by gyratory compactor.
