CC BY
0В.Е. Копылов, инженер, e-mail: kopvic@gmail.com О.Н. Буренина, канд. техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: bon.ipng@mail.ru Институт проблем нефти и газа, г. Якутск
УДК 69.001.5
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОПЫТНЫХ УЧАСТКАХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Асфальтобетон в настоящее время является наиболее распространенным материалом для строительства автомобильных дорог с твердым покрытием. Одним из важнейших компонентов асфальтобетона является минеральный порошок, обладающий наибольшей удельной поверхностью и, соответственно, реакционной способностью. В ранее проведенных исследованиях было обосновано применение в качестве минерального порошка порошков из природных цеолитов и бурых углей [1, 2]. Асфальтобетоны с применением минеральных порошков из местного сырья отличаются улучшенными физико-механическими характеристиками, такими как прочность, водостойкость, морозостойкость и т.д. Для проведения эксплуатационных испытаний разработанных составов асфальтобетонов было построено 3 опытно-промышленных участка покрытий на автомобильных дорогах «Умнас» и «Вилюй».
После ввода в эксплуатацию начались мониторинговые испытания, в качестве основных параметров были выбраны модуль упругости дорожной одежды, плотность асфальтобетона, коэффициент сцепления. Кроме того, была произведена оценка ровности и колейности, измерение ширины раскрытия трещин.
Ключевые слова: асфальтобетон, минеральный порошок, экспериментальные участки, опытно-промышленные испытания, модуль упругости, коэффициент сцепления, плотность асфальтобетона, ровность, колейность.
V.E. Kopylov, Senior Lecturer O.N. Burenina, Cand.Sc. Engineering
CHANGING THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENT ON THE EXPERIMENTAL ROAD SECTIONS DURING OPERATION
Asphalt, at present, is the most common material for the construction of highways with a hard coating. One of the most important components in the asphalt concrete is a mineral powder, which has the largest surface area and therefore it is reactive. In previous studies, the application ofpowders of natural zeolites and lignite [1, 2] has been proved as use of a mineral powder. Asphalt concrete with mineral powders from local raw materials has improved physical and mechanical properties such as strength, water resistance, frost resistance, etc. Three experimental road sections on the roads "Umnas" and "Viluy" coatings have been built for operational testing of developed asphalt concrete formulations.
The module of pavement elasticity, asphalt concrete density, coefficient of adhesion have been chosen as the main parameters during monitoring trials. In addition, assessment of flatness and rutting, measurement of width of cracks disclosure have been made in the work.
Key words: asphalt concrete, mineral powder, experimental sites, trial testing, elasticity module, coupling coefficient, asphalt concrete density, flatness, rutting.
Наиболее распространенным материалом для строительства автомобильных дорог с твердым покрытием является асфальтобетон. В ГОСТ 9128-2013 [3] дано определение асфальтобетонной смеси: это рационально подобранная смесь минеральных материалов и песка с
минеральным порошком с битумом, взятых в определенных соотношениях. Важнейшей составляющей асфальтобетона является асфальтовое вяжущее вещество - бинарная система, состоящая из битума как среды и минерального порошка как дисперсной фазы [1, 2, 4, 5].
Минеральный порошок в асфальтобетоне выполняет роль структурирующей добавки, основная цель которой - перевести битум из объемного состояния в пленочное, т.е. в такое состояние, в котором битум характеризуется большей вязкостью и прочностью.
В ранее проведенных исследованиях было доказано, что минеральные порошки, производимые из местного минерального сырья (природного цеолита и бурого угля), обладают высоким структурирующим воздействием на битум, благодаря чему наблюдается улучшение физико-механических свойств асфальтобетонов [1, 2].
В 2012 г. была достигнута договоренность с ОАО «Сахаавтодор» о строительстве опытных участков автомобильных дорог с применением минеральных порошков, изготовленных из местного минерального сырья. Всего было заложено 3 опытных участка - в 2012 г. построен участок асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги с применением бурого угля, в 2013 г. построено два участка - с бурым углем и природным цеолитом в качестве минеральных порошков.
Сразу после введения автомобильных дорог в эксплуатацию начались мониторинговые исследования. За основные показатели были приняты модуль упругости, плотность и коэффициент сцепления. Кроме того, производились замеры уклонов и ровности проезжей части, ко-лееобразование и осуществлялся визуальный контроль за трещинообразованием.
Измерение модуля упругости
Измерение модуля упругости дорожной одежды выполнено в соответствии с ОДМ 218.2.024-2012 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд» при помощи установки динамического нагружения ДИНА-3М. Результаты испытаний дорожной одежды представлены в таблице 1.
Модуль упругости дорожной одежды с традиционным асфальтобетонным покрытием на автомобильной дороге «Умнас» после двух лет эксплуатации увеличился на 84% по сравнению с исходным показателем. Такое резкое изменение вызвано старением вяжущего в асфальтобетоне. Под действием климатических факторов в битуме происходят необратимые процессы изменения группового состава: масла окисляются и частично переходят в смолы, которые, в свою очередь, частично переходят в асфальтены. Увеличение концентрации асфальте-нов в асфальтовом вяжущем веществе неизбежно ведет к увеличению твердости вяжущего. Процессы старения асфальтобетонов с применением бурого угля в качестве минерального порошка замедлены - после одного года эксплуатации модуль упругости увеличился на 3%, после двух лет - на 8,9%, а после трех - на 41,1%.
Таблица 1
Модуль упругости дорожной одежды
________Дата испытаний Номер состава -- Модуль упругости Е, МПа
2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г.
Автомобильная дорога «Умнас», 28 км
1 1976,35 2027,3 3635,7 3553,5
2 2469,1 2543,6 2687,8 3485,1
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
----------- Дата испытаний Номер состава Е, МПа
2014 г. 2015 г.
1 1125,27 1589,7
2 1537,1 1510,2
3 1770,27 1535,8
Примечание. 1 - традиционный асфальтобетон; 2 - асфальтобетон с применением минерального порошка из бурого угля; 3 - асфальтобетон с применением минерального порошка из цеолита
Анализ изменения модуля упругости дорожной одежды на автомобильной дороге «Вилюй» показал увеличение модуля упругости асфальтобетонного покрытия традиционного состава до 41,3%, снижение данного показателя на 13,2% в покрытии с применением природного цеолита и до 1,8 % - с применением бурого угля.
Применение в качестве минеральных порошков для асфальтобетонов местного сырья позволяет замедлить процессы старения, протекающие в вяжущем. Как было сказано ранее, в процессе приготовления асфальтобетонной смеси происходит избирательная диффузия части масел, содержащихся в битуме, вглубь частиц минерального порошка из цеолитов и бурого угля. В дальнейшем при эксплуатации асфальтобетонных покрытий происходит «выпотева-ние» масел на поверхность частиц минерального порошка, благодаря чему вяжущее способно дольше сохранять свои упруго-вязкие свойства.
Замедление процессов старения асфальтового вяжущего вещества в асфальтобетоне позволит повысить срок службы асфальтобетонного покрытия без необходимости его ремонта.
Измерение плотности асфальтобетона
Измерение плотности асфальтобетона производилось при помощи плотномера асфальтобетона ПА-МГ4, производства ООО «Специальное конструкторское бюро Стройприбор». Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Плотность асфальтобетона на экспериментальных участках
——^^Дата испытаний Номер состава ~~——^^ Плотность асфальтобетона, кг/м3
09.2012 07.2013 05.2014 09.2014 05.2015 09.2015
Автомобильная дорога «Умнас», 28 км
1 2242,3 2224,6 2181,1 1934,8 2183 2166,7
2 2023,0 2098,0 2191,2 2151,7 2127,6 2114,3
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
1 - - 2116,1 2344,7 2104 2187,3
2 - - 2213 2327,9 2229,4 2193
3 - - 2283,1 2339,7 2212,4 2148,7
Примечание. Нумерация составов соответствует таблице 1
Измерения средней плотности асфальтового бетона на автомобильной дороге «Умнас» показывают, что после трех лет эксплуатации не наблюдается разуплотнения покрытий как на участке с традиционным асфальтобетоном, так и на участке с бурым углем в составе асфальтобетона. Средняя плотность покрытий из асфальтобетона изменяется незначительно и, вероятно, зависит от температуры покрытия во время замеров. Схожие данные по показателям средней плотности покрытий получены и на автомобильной дороге «Вилюй».
Измерение коэффициента сцепления
Безопасность движения автотранспорта по автомобильной дороге в значительной степени зависит от силы сцепления шин с покрытием проезжей части. Именно поэтому важно производить измерения коэффициента сцепления.
Значение коэффициента сцепления определялось при помощи портативного измерителя коэффициента сцепления ИКСп, производства ООО «Спецдортехника». Результаты измерения коэффициента сцепления представлены в таблице 3.
Таблица 3
Коэффициент сцепления с асфальтобетонным покрытием
—----^Дата испытаний Номер состава ——■—__ Коэффициент сцепления
09.2012 07.2013 05.2014 09.2014 05.2015 09.2015
Автомобильная дорога «Умнас», 28 км
1 0,3 0,2 0,35 0,31 0,28 0,31
2 0,3 0,3 0,38 0,3 0,27 0,34
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
1 - - 0,33 0,43 0,37 0,39
2 - - 0,35 0,42 0,31 0,42
3 - - 0,34 0,4 0,36 0,42
Примечание. Нумерация составов соответствует таблице 1
По полученным результатам можно сделать вывод о том, что применение в качестве минерального порошка бурых углей и цеолита не оказывает отрицательного влияния на показатели шероховатости покрытия и, соответственно, не ухудшает показатели коэффициента сцепления шин с поверхностью проезжей части.
Оценка состояния экспериментальных участков
Оценка состояния покрытий из асфальтобетонов на опытно-экспериментальных участках производилась в 2015 г. в соответствии с ОДН 218.0.006-2002 [6]. Ровность покрытия оценивалась при помощи рейки РДУ КОНДОР-3 в соответствии с ГОСТ 30412-96 [7] и СП 78.13330.2012 [8]. Глубина колеи измерялась в соответствии с ОДМ «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах».
В соответствии с обязательным приложением А СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги» для покрытий из асфальтобетона, обработанных вяжущим, не более 5% результатов определений могут иметь значения просветов под рейкой длиной от 3 до 6 мм, остальные - до 3 мм. На основании проведенной оценки участков покрытий на автомобильной дороге «Ум-нас» можно сделать вывод о том, что участок с традиционным асфальтобетоном удовлетворяет требованиям СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги» по показателям ровности, так как ни один из 25 измеренных просветов под рейкой не был больше 3 мм. Участок покрытия из асфальтобетона с применением бурого угля не соответствует СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги», так как имеются просветы под рейкой больше 6 мм (2 просвета, или 8%), количество просветов до 6 мм - 7 (28%), количество просветов до 3 мм - 16 (64%).
Согласно п. 6 ч. 1 ОДМ «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах» при расчетной скорости движения 100 км/ч предельно допустимая глубина колеи должна быть не более 20 мм, допустимая - 12 мм. Глубина колеи на участке с традиционным асфальтобетоном составила 2,4 мм, а на участке с применением бурого угля в качестве минерального порошка - 4,04 мм. По результатам измерений установлено, что экспериментальный участок асфальтобетонного покрытия удовлетворяет требованиям нормативных актов.
Визуальный осмотр экспериментального участка на автомобильной дороге «Умнас» в 2012 г. выявил наличие двух поперечных трещин с шириной раскрытия до 5,8 мм. Однако стоит заметить, что данные трещины проходят через всю ширину проезжей части, т.е. через участки с традиционным асфальтобетоном в том числе. Это может свидетельствовать о плохой подготовке нижних конструктивных слоев дороги. Последующее развитие сетей трещин не выявлено.
Обследование участка автомобильной дороги «Вилюй» дало следующие результаты. Участки как с традиционным асфальтобетоном, так и с асфальтобетоном с применением бурого угля и цеолита удовлетворяют требованиям СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги»
по показателям ровности, так как ни один из измеренных просветов под рейкой не был больше 3 мм.
Глубина колеи на участке с традиционным асфальтобетоном составила 2,5 мм, на участке с применением бурого угля в качестве минерального порошка - 2,7 мм, а на участке с применением цеолита в качестве минерального порошка - 3,5 мм. По результатам измерений показано, что состояние экспериментальных участков с использованием асфальтобетонов на минеральных порошках из местного сырья удовлетворяет требованиям нормативных актов.
В результате визуального осмотра выявлено наличие трещин на каждом из участков асфальтобетонного покрытия: на участке с традиционным асфальтобетоном - 20 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 3 мм, на участке асфальтобетона с применением бурого угля - 16 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 4 мм, на участке асфальтобетона с применением цеолита - 18 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 2 мм. Стоит отметить, что количество трещин является практически одинаковым для участков в обоих направлениях движения.
Заключение
Таким образом, данные, полученные в ходе мониторинговых исследований покрытий автомобильных дорог с применением минеральных порошков из местного минерального сырья, позволяют сделать заключение о возможности применения таких порошков наряду с традиционно применяемыми. Установлено, что рост модуля упругости на опытных участках асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации происходит медленнее, чем на контрольных участках, что свидетельствует о замедлении процессов старения вяжущего, происходящих в асфальтобетоне с применением минеральных порошков из местного сырья. Разуплотнений асфальтобетона не наблюдается. Коэффициент сцепления автомобильной шины с покрытием после трех лет эксплуатации незначительно увеличивается. Показатели ровности и колейности покрытий автомобильных дорог соответствуют требованиям нормативных актов.
Библиография
1. Копылов В.Е., Буренина О.Н. Минеральное сырье Республики Саха (Якутия) для производства асфальтобетонов // Интернет-журнал «Науковедение». - 2016. - № 1.
2. Копылов В.Е., Буренина О.Н. Минеральные порошки из местного сырья для производства асфальтобетонов // Материалы для технических устройств и конструкций, применяемых в Арктике: сб. докл. конф. - М.: Изд-во ФГУП ВИАМ, 2015. - C. 27.
3. ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, поли-мерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. - М.: Стандартин-форм, 2014. - 89 с.
4. Сахаров П.В. Способы проектирования асфальтобетонных смесей // Транспорт и дороги города. - 1935. - № 12.- С. 22-26.
5. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны: учеб. пособие для строительных вузов. - М.: Высшая школа, 1969. - 399 с.
6. ОДН 218.0.006-2002 Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог (взамен ВСН 6-90). - М.: РОСАВТОДОР, 2002. - 137 с.
7. ГОСТ 30412-96 Дороги автомобильные и аэродромы. Методы измерений неровностей оснований и покрытий. - М.: Минстрой России; ГУП ЦПП, 1996. - 13 с.
8. СП 78.13330.2012 Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85. -М.: Минрегион России, 2013. - 89 с.
Bibliography
1. Kopylov V.E., Burenina O.N. Minerai raw materials of the Republic of Sakha (Yakutia) for production of asphalt concrete // Online magazine "Naukovedeniye". - 2016. - N 1.
2. Kopylov V.E., Burenina O.N. Mineral powders from local raw materials for production of asphalt concrete // Proceedings for the technical devices and designs applied in the Arctic: coll. reports of a conference. - M., 2015. - P. 27.
3. GOST 9128-2013 Asphalt mixtures, polymer asphalt concrete, asphalt, polymer asphalt concrete for roads and airfields. Specifications. - M.: Standartinform, 2014 - 89 p.
4. Sakharov P.V. Modes of asphalt concrete mixtures' design // Transport and city roads. - 1935. -N 12. - P. 22-26.
5. Ryb'ev I.A. Asphalt concrete. Manual for higher educational institutions. - M.: Vysshaja shkola, 1969. - 399 p.
6. ODN 218.0.006-2002 Rules of preliminary treatment and assessment of a condition of highways (instead of VSN 6-90). - M.: ROSAVTODOR, 2002. - 137 p.
7. GOST 30412-96 Highways and airfields. Methods of measurements of roughnesses of the bases and coverings. - M.: Minstroj Rossii, GUP CPP, 1996. - 13 p.
8. SP 78.13330.2012. Highways. The staticized edition of CNR 3.06.03-85. - M.: Minregion Rossii, 2013. - 89 p.
