CC BY
40УДК 625.855.3
Э.В. КОТЛЯРСКИЙ, канд. техн. наук, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)
Морозостойкость асфальтобетона
Изучению морозостойкости асфальтового бетона посвящены исследования многих ученых. По мнению профессора С.В. Шестоперова [1], это — один из наиболее надежных методов оценки способности конструкционных бетонов противостоять воздействию эксплуатационных факторов.
Известные методы испытания в качестве количественных критериев предполагают после определенного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания фиксировать либо потерю массы образцов, либо потерю их прочности.
Установлено, что в процессе этих испытаний увеличивается потеря массы образцов и снижается прочность.
Если рассмотреть процесс разрушения образца любого материала, нетрудно установить, что все деструктивные процессы развиваются от его поверхности (рис. 1). В связи с этим научный и практический интерес представляет задача экспериментальной оценки изменения строительно-технических и структурно-механических свойств асфальтового бетона при испытании на морозостойкость.
В лаборатории асфальтового бетона и органических вяжущих МАДИ были подобраны составы (рис. 2) сред-нещебнистых асфальтобетонных смесей на гранитном и известняковом щебне (а) близкой гранулометрии и песчаная асфальтобетонная смесь (б).
Составы и свойства смесей приведены в таблице.
Для дальнейшего сравнительного анализа изменения строительно-технических свойств асфальтовых бетонов использованы данные, полученные совместно с С.В. Шес-топеровым, Э.М. Ваулиным, Г.Н. Никифоровым [5].
Испытания проводили в морозильной камере замораживанием водонасыщенных образцов при -25оС в течение 4 ч и оттаиванием при +20оС в течение 16 ч.
Образцы серий 1—3 подвергали попеременному замораживанию и оттаиванию в течение 100 циклов.
Изменение механических свойств асфальтобетона при 20 и 0оС оценивали коэффициентом морозостойкости, определяемым по формулам:
R
20
мрз20
R
"мрз20-
20
Л
R°n
(1)
Рис. 1. Внешний вид цементобетонных образцов после испытания на морозостойкость [1-4]
где Я"0 — предел прочности при сжатии при 20оС; — предел прочности при сжатии при 0оС; п — количество циклов попеременного замораживания и оттаивания.
При определении механических свойств асфальтобетона при 20 и 0оС после 100 циклов замораживания-оттаивания проявилась закономерность. Более высоким коэффициентом морозостойкости при 20оС обладают щебенистые составы (0,72—0,75) на гранитном щебне. При использовании известнякового щебня коэффициент составил 0,68, а у песчаного асфальтобетона типа Д — 0,5. При испытании асфальтобетонных образцов при 0оС для щебенистых смесей эта тенденция сохраняется. Образцы песчаного асфальтобетона серии 3 показали более высокую морозостойкость, что связано с более мелкопористой структурой материала.
Приведенные результаты стандартных испытаний позволяют установить лишь общий характер изменения исследуемых показателей, хотя непосредственному разрушению подвергается только поверхностный слой образца толщиной А Ара3р= /(О [2, 3, 4], где А р — глубина разрушенной поверхности; ; — количество циклов замораживания-оттаивания.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
40 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 0,07 Размеры частиц, мм
б 100
90
s 80
d
g 70
ы cj 60
О
О р 50
с
е ы 40
т
^
(J 1= 30
20
10
0
- 1
- \/ 2
- i у
| I 1 1 1 1 1 1 1
40 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 0,07 Размеры частиц, мм
Рис. 2. Гранулометрический состав асфальтобетонных смесей на гранитном и известняковом щебне (а) и на песчаном наполнителе (б): 1 - мелкозернистый типа Б на граните и на известняке; 2 - песчаный типа Д
а
fj научно-технический и производственный журнал
® май 2011 81
Асфальтобетонные смеси Содержание компонентов, % Свойства
Остаточная пористость, Чют Водо-насыщение, WH R20 Ro
Серия 1. Горячая плотная асфальтобетонная мелкозернистая смесь типа Б марки I на гранитном щебне Щебень 43,2 3,2 2,36 3,41 9,8
Песок 48,6
Мин. пор. 8,2
Битум* 5,7
Серия 2. Горячая плотная асфальтобетонная мелкозернистая смесь типа Б марки I на известняковом щебне Щебень 43,3 2,35 2,36 3,68 8,38
Песок 48,3
Мин. пор. 8,4
Битум* 6,0
Серия 3. Песчаная асфальтобетонная смесь типа Д марки II Песок 85,9 2,98 2,25 3,55 9,65
Мин. пор. 14,1
Битум* 8,3
Серия 4. Горячая плотная асфальтобетонная мелкозернистая смесь типа В марки II на гранитном щебне Щебень 34,1 2,64 2,29 3,49 10,2
Песок 55,2
Мин. пор. 10,7
Битум* 5,79
* Битум добавляют к 100% смеси.
Рис. 3. Расчетная схема для определения текущего объема и поверхности цилиндрических асфальтобетонных образцов при испытании на морозостойкость
Если предположить, что поверхность асфальтобетонных образцов при испытании на морозостойкость разрушается относительно однородно, то через Айразр (рис. 3) можно подсчитать объем материала, в котором элементарные контакты после очередного цикла попеременного замораживания и оттаивания еще способны сопротивляться:
b.Vn = УШр - FoV
Кнач _ lid* .
обр--4--Л;
2
„ n(d - 2ААразр) . ... .
К обр =--—(h -2А йразр);
(2) (3)
разр/; (4)
(й-2Дйразр). (5)
4 " 4 -"""разр/
Определив среднее число контактов в единице объема в каждом из исследуемых составов, можно
установить количество контактов, не работающих после очередного числа циклов испытания на морозостойкость.
Поверхность образца в процессе испытания составит: 2
б_2 +{к_2К^уп.{с1_Кюр). (6)
Средняя величина глубины разрушения: Л/г = ^
^"разр — -у-,
(7)
где V — объем образца после i испытаний; S¡ — площадь поверхности образца после i испытаний.
Оценка морозостойкости может производиться по потере массы (Дм). Экспериментально полученные в процессе испытания на морозостойкость значения остаточной пористости связаны со средней плотностью образцов:
S 4
25 50 75 Морозостойкость, циклы
100
10,5 -
25 50 75 Морозостойкость, циклы
100
25 50 75 Морозостойкость, циклы
100
Рис. 4. Изменение строительно-технических свойств асфальтобетона с различными наполнителями после замораживания и оттаивания: 1 - морозостойкость асфальтобетона на граните; 2 - морозостойкость асфальтобетона на известняке; 3 - морозостойкость песчаного асфальтобетона
7
6
5
3
2
0
0
0
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" ~82 май 2011 Ь^ШШ'
6
со 4
ю ^
3
о 1=
2
1 -
0 0,5 1
Глубина разрушения, мм
Рис. 5. Зависимость потери массы образцов от глубины разрушения поверхностного слоя: 1 - для образцов с h=D=50 мм; 2 - для образцов с h=D=70 мм; 3 - для образцов с h=D=100 мм;
25 50 75 100 0 25 50 75 100
Морозостойкость, циклы Морозостойкость, циклы
Рис. 6. Изменение глубины разрушения поверхностного слоя асфальтобетонных (а/б) образцов при испытании на морозостойкость (а); изменение относительной поверхностной прочности асфальтобетонных образцов при испытании на морозостойкость (м/с) (б): 1 - м/с а/б Б на граните; 2 - м/с а/б В на граните; 3 - песчаный а/б; 4 - м/с а/б Б на известняке
Р,= Р-
-ОСТ \
1-
100
(8)
Потеря массы А/и = т0-/иг = р0 • (9)
Для получения относительной потери массы необходимо Am отнести к первоначальной массе.
С использованием зависимостей (2—8) была установлена взаимосвязь между потерей массы образцов различного размера с глубиной разрушенного поверхностного слоя. Линейная регрессионная модель обладает высокой степенью точности (коэффициент множественной корреляции R2 > 0,99).
Расчеты показали, что при 5% потере массы образцов диаметром 101 мм величина ЛАразр не превышает 1 мм (рис. 5).
Анализ изменения остаточной пористости испытанных составов после замораживаний и оттаиваний позволил количественно оценить глубину разрушения поверхностного слоя асфальтобетонных образцов (рис. 6, а).
Для оценки относительной поверхностной прочности асфальтобетона использовали методику, разработанную О.А. Швагиревой [6]. Измерения производили на приборе «Оникс» (рис. 6, б).
Установлено, что до 20—25 циклов разрушение поверхностного слоя протекает довольно интенсивно. Для асфальтобетона типа Б на гранитном щебне поверхностный слой разрушается на глубину около 150 мкм, на гранитном типа В, известняковом типа Б — 240 мкм, у песчаного асфальтобетона — 280 мкм. Затем процесс разрушения стабилизируется, после 75 циклов замораживания-оттаивания соответственно достигает 200, 400 и 340 мкм. После 75 циклов испытания интенсивность разрушения поверхностного слоя резко возрастает и к 100 циклам составляет уже 680, 920 и 910 мкм.
У составов на известняковом щебне или с высоким содержанием известнякового порошка поверхностный слой разрушается интенсивнее и на большую глубину.
Это подтвердилось и при оценке относительной поверхностной прочности. Коэффициент морозостойкости (1) после 100 циклов замораживания и оттаивания у асфальтобетона на гранитном щебне составил 0,54, на известняковом — 0,33, а у песчаного асфальтобетона и малощебенистого типа В на гранитном щебне с высоким содержанием известнякового порошка — 0,32.
Полученные результаты позволяют сформулировать основные выводы:
1. При попеременном замораживании и оттаивании основные разрушения происходят в поверхностном слое.
2. Интенсивность разрушения поверхностного слоя зависит от природы крупного заполнителя и содержания известнякового порошка.
3. В дальнейших исследованиях необходимо вскрыть природу поверхностных разрушений с использованием теории контактных взаимодействий и основных положений физико-химической механики.
Ключевые слова: морозостойкость, асфальтобетон,
поверхностная прочность, глубина разрушения поверхностного слоя.
Список литературы
1. Шестоперов С.В. Дорожно-строительные материалы. Ч. 1. М.: Высшая школа, 1976. 256 с.
2. Котлярский Э.В., Кондратьев М.С. О необходимости учета условий эксплуатации асфальтобетона в конструктивных слоях дорожной одежды // Сб. статей и докладов ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. М.: МАДИ, 2009. С. 61-72.
3. Котлярский Э.В., Кондратьев М.С. Изменение характеристик дорожного покрытия из асфальтобетона в зависимости от эксплуатационных воздействий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова // Научно-теоретический журнал. 2010. № 1. С. 53-59.
4. Котлярский Э.В., Кондратьев М.С. Роль эксплуатационных воздействий в изменении параметров асфальтобетонного покрытия // Сб. статей и докладов ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. М.: МАДИ, 2010. С. 107-117.
5. Ваулин Э.М., Котлярский Э.В. Работоспособность асфальтобетона при тепловом старении и попеременном замораживании и оттаивании // Транспортное строительство. 2008. № 9. С. 13-18.
6. Котлярский Э.В., Воейко О.А. Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий и факторы, способствующие разрушению структуры асфальтобетона в процессе эксплуатации. М.: ООО «Техполиграф-центр», 2007. 136 с.
7
5
fj научно-технический и производственный журнал
® май 2011 !з"
