CC BY
212
УДК 625.855
Т.И. Левкович
канд. техн. наук, доцент,
кафедра «Автомобильные дороги», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
А.И. Беляков
студент,
кафедра «Автомобильные дороги», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
А.Е. Билько
студент,
кафедра «Автомобильные дороги», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
А.С. Тищенко
студент,
кафедра «Автомобильные дороги», ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
О МОДИФИКАЦИИ БИТУМОВ И АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СДВИГОУСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Аннотация. В статье рассмотрены пути повышения сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий. Приведены результаты экспериментальных исследований сдвигоустойчивости при модификации дорожных битумов и асфальтобетонных смесей различными видами добавок.
Ключевые слова: битум, асфальтобетонная смесь, модифицирующие добавки, асфальтобетон, сдви-гоустойчивость.
T.I. Levkovich, Bryansk state engineering-technological University
A.I. Belyakov, Bryansk state engineering-technological University
A.E. Bilko, Bryansk state engineering-technological University
A.S. Tischenko, Bryansk state engineering-technological University
ON THE MODIFICATION OF BITUMENS AND ASPHALT MIXES TO INCREASE THE SHEAR
RESISTANCE OF ASPHALT PAVEMENT
Abstract. In the article the ways of improving the shear resistance of asphalt coatings. The results of experimental studies of shear resistance in the modification of road bitumen and asphalt mixes of different types of additives.
Keywords: bitumen, asphalt mixture modifying additives, asphalt concrete, shear resistance.
В процессе эксплуатации автомобильной дороги на дорожную одежду воздействуют многие факторы, влияющие на ее состояние, особенно на состояние покрытия.
Основной задачей эксплуатационных и строительных дорожных организаций является сохранение и поддержание в рабочем состоянии существующей сети автомобильных дорог с минимальными затратами. Покрытия автомобильных дорог должны быть без колей, трещин, выбоин и других дефектов, поэтому оценка сдвигоустойчивости дорожных одежд автомобильных дорог из асфальтобетонных смесей является актуальной.
Цель работы - изучение имеющейся технической литературы по сдвигоустойчивости асфальтобетонных смесей в покрытиях дорожных одежд, обследование участков с глубокими колеями асфальтобетонных покрытий городских улиц и автомобильных дорог, а также проведение экспериментальных исследований.
Наиболее распространенными дорожно-строительными материалами, используемыми в дорожном строительстве для покрытий автомобильных дорог, являются асфальтобетонные, щебнемастичные и цементобетонные смеси.
Качественные асфальтобетонные смеси получают, используя различные виды модифицирующих добавок. После окончания уплотнения до требуемой плотности асфальтобетонная смесь в покрытии превращается в асфальтобетон.
Асфальтобетон - наиболее распространенный вид покрытия автомобильных дорог, но он обладает термопластичностью и может накапливать необратимые остаточные деформации сдвига под действием транспортных нагрузок. Чтобы асфальтобетонное покрытие сохраняло свою ровность (служило без образования колей и наплывов) в течение заданного срока службы, в дорожной конструкции не должны возникать остаточные деформации недопустимой величины от многократного приложения транспортных нагрузок.
В асфальтобетонной смеси основным вяжущим является нефтяной дорожный битум, вторым составляющим вяжущего является минеральный порошок. Причем дорожное строительство является основным потребителем нефтяных битумов. До 90% производимого во всем мире объема товарных битумов потребляется дорожной отраслью.
Увеличить сдвигоустойчивость асфальтобетонов можно разными путями:
- используя модификаторы (разнообразные полимеры), вводимые непосредственно в асфальтобетонную смесь при приготовлении ее в смесителе;
- активируя минеральный порошок разными видами добавок;
- активируя битум;
- используя улучшенный щебень кубовидной формы.
В качестве модификаторов можно использовать полимеры. В настоящее время существует большое количество разнообразных искусственных материалов, используемых в качестве полимеров, для модификации битумов, асфальтобетонной смеси и минерального порошка. Асфальтобетоны, приготовленные на полимерных битумах, имеют высокую устойчивость к деформациям за счет большой эластичности применяемых битумов. Также у таких асфальтобетонов значительно замедляется процесс старения в конструкции дорожной одежды.
Модификаторы условно подразделяют на три группы: термопласты (пластомеры), эластомеры и термоэластичные искусственные материалы, например, дивинил-стирольный термо-эластопласт (ДСТ).
Битумы, модифицированные полимерами, имеют большой диапазон рабочих температур (разница между температурой размягчения и температурой хрупкости) до 100°С (у обычных битумов до 60°С).
В России полимерно-битумные вяжущие применяются в несущих верхних и нижних слоях асфальтобетонных покрытий дорожной одежды. Также их используют при устройстве поверхностных обработок.
Специалисты разных стран сходятся во мнении, что нефтяной битум является самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения его в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий. При исследовании битумов в асфальтобетонных образцах, извлеченных из дорожных покрытий прослуживших 10 и более лет, зарубежными учеными [1] было выявлено отсутствие существенных изменений вязкости.
Во Франции, Германии, России и других странах многие годы проводились исследования битумов, модифицированных полимерами. Поэтому к настоящему времени накоплен большой опыт по использованию полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве. Основная цель применения полимерно-битумных вяжущих в Германии - продление срока службы асфальтобетонных покрытий при одновременном увеличении соответствующих межремонтных сроков. Во Франции полимерно-битумные вяжущие используются для повышения
физико-механических и эксплуатационных свойств покрытия, а также в целях экономии расходов при уменьшении толщины слоев дорожных одежд.
Пригодны для модификации битумов синтетические каучуки. Например, полимер стирол-бутадиен-стирол успешно применяют в Германии и во Франции. Другим полимером, часто используемым во Франции, является этилвиниловый ацетат. Он применяется исключительно для повышения устойчивости асфальтобетона в условиях высоких эксплуатационных температур. Во Франции при приготовлении горячих асфальтобетонных смесей используется 65% модифицированных битумов и 35% - в холодных смесях, в Германии свыше 95% модифицированных битумов применяется в горячих смесях [1].
Необходимо отметить тот факт, что дорожные битумы российского и зарубежного производства принципиально различаются по качеству. Это предопределено различием нормативных требований к данному виду продукции в нашей стране и за рубежом.
Используемые в дорожном строительстве России битумы не отвечают предъявляемым к ним требованиям. Они имеют недостаточный температурный интервал работоспособности (от + 50оС до - 20оС), не эластичны, недостаточно трещиностойки. В результате сроки службы битумных и битумно-минеральных покрытий составляют 6-12 лет, вместо нормативных 15-20 лет.
Основной причиной выхода из строя асфальтобетонного покрытия является трещино-образование. Для обеспечения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий необходимо, чтобы скорость вязкого течения была сопоставима со скоростью приложения нагрузки, а длительная прочность асфальтобетона была бы не ниже возникающих в нем температурных напряжений. Причина усадки асфальтобетона после охлаждения битума - уплотнение битума, вызванное тепловой релаксацией, то есть переходом структуры битума в более равновесное состояние относительно конкретных температурных условий. Относительное удлинение зависит, в основном, только от вязкости битума и незначительно изменяется с увеличением содержания в нем битума и минерального порошка. Считается, что наиболее эффективное средство борьбы с трещинообразованием - приготовление асфальтобетонной смеси на менее вязком битуме. Брянские дорожные организации при приготовлении асфальтобетонных смесей используют битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130.
Авторами данной работы были проведены экспериментальные исследования по использованию при приготовления битума и асфальтобетонных смесей различных видов модифицирующих добавок: технического углерода, резиновой крошки использованных шин автомобилей (с целью их утилизации), отходов химической промышленности (полистирола, полиуретана, полиэтилена и др.), дивинила - стирольного термоэластопласта (ДСТ), индустриального масла И-40А и т.д. Перечисленные выше полимеры хорошо совмещаются с битумом, а также растворяются в углеводородах битума.
Основной технологический недостаток их применения - коксование в трубах при подаче приготовленного битума в смеситель. Чтобы исключить этот недостаток, нами был проработан вариант подачи модифицирующих добавок сразу в смеситель, без предварительного приготовления битума. В результате испытаний образцов битума марок БНД 60/90 и БНД 90/130 с различным содержанием ДСТ и масла И-40А было установлено, что глубина проникания иглы (при одном и том же содержании масла, но с увеличением содержания ДСТ) уменьшается при температуре +25оС, а при температуре 0оС - увеличивается. При увеличении содержания ДСТ растяжимость битума уменьшается, при увеличении содержания индустриального масла - увеличивается по сравнению со стандартными образцами.
Исследования асфальтобетонов были направлены нами на получение асфальтового вяжущего, обладающего повышенной теплоустойчивостью, стойкостью к процессам старения и более высокой пластичностью смеси при ее укладке. Такое вяжущее получено на основе вязко-
го битума, модифицированного структурирующими компонентами.
При введении модифицирующих добавок непосредственно в смеситель при приготовлении асфальтобетонной смеси были получены более пластичные образцы. Они обладали повышенной сдвиго- и теплоустойчивостью по сравнению со стандартными образцами. Использование в качестве добавки в асфальтобетонной смеси ДСТ в количестве 0,3...0,5 % и технического углерода в количестве 0,4.0,6 % от массы вяжущего позволило сократить расход битума на 0,5 - 1,0 %. При введении в асфальтобетонную смесь отходов химической промышленности в количестве 2% прочностные показатели образцов сразу резко снижались.
Величина остаточных деформаций в покрытии обуславливается реологическими свойствами асфальтобетона. Типичные зависимости скорости необратимого деформирования при сдвиге от величины прикладываемых напряжений или зависимости сопротивления сдвигу от скорости деформирования асфальтобетонов различных типов и гранулометрии приведены в научных трудах ряда ученых [1; 2].
Условия испытания (в данном случае скорости деформирования) оказывают решающее влияние на сопротивление асфальтобетона сдвигу. При высоких скоростях деформирования, соответствующих испытаниям образцов в лаборатории, более высокое сопротивление сдвигу оказывает асфальтобетон типа В по сравнению с типом А. Однако при малых скоростях, соответствующих условиям образования колеи в покрытии в реальных условиях, наоборот, большее сопротивление сдвигу имеет асфальтобетон типа А. Этим объясняется вопрос, почему более сдвигоустойчивый в покрытии асфальтобетон типа А по сравнению с типом В характеризуется в соответствии с действующими нормами ГОСТ 9128-09 меньшими показателями прочности при сжатии при температуре «плюс» 50°С [3].
Аналогичное влияние на сопротивление асфальтобетона сдвигу оказывает реологический тип органического вяжущего, что следует из зависимостей показателя сцепления при сдвиге С50 от градиента скорости сдвига. Полимерно-битумные вяжущие и окисленные битумы марок БНД оказывают более высокое сопротивление при малых скоростях и меньшее сопротивление при больших скоростях сдвига по сравнению с остаточными битумами марок БН.
Условия испытания асфальтобетона, такие как скорость деформирования, температура и напряженно-деформированное состояние, определяют сопротивление сдвигу и величину пластической деформации. Поэтому при прогнозировании сдвигоустойчивости асфальтобетона в дорожной конструкции необходимо результаты лабораторных испытаний образцов приводить к конкретным условиям необратимого деформирования покрытия. Это важно для любого метода механического испытания асфальтобетона, так как в лаборатории невозможно точно смоделировать многообразие условий работы асфальтобетона в дорожном покрытии.
Скорость необратимого деформирования асфальтобетона в дорожном покрытии установить практически невозможно, однако её легко связать с суммарным временем действия сдвигающих усилий колей [1]. Если задаваться значением остаточной деформации, то скорость необратимого сдвига будет обратно пропорциональна времени действия нагрузки, обуславливающей заданную остаточную деформацию. Соответственно, по экспериментальным закономерностям деформирования асфальтобетона, установленным в лабораторных условиях, можно прогнозировать суммарную остаточную деформацию покрытия от действия заданного числа проходов расчетных автомобилей.
При оценке и нормировании сдвигоустойчивости асфальтобетона возникает вопрос правильности выбора максимальной расчетной температуры, как наиболее опасной из условия образования колей [3]. Максимальную температуру асфальтобетон может иметь в сутки лишь несколько часов летом, в течение которых по покрытию проходит небольшая часть расчетных автомобилей. При более низкой температуре по покрытию может проходить намного большее количество расчетных автомобилей.
Нами были проведены испытания переформованных образцов, полученных из кернов конкретных покрытий улиц и дорог г. Брянска, определен состав асфальтобетона. Полученные данные показали, что деформированный слой покрытий выполнен из плотного мелкозернистого асфальтобетона типа Б, отвечающего по основным показателям требованиям ГОСТ 9128-09 [3].
Содержание битума в отобранных образцах-кернах соответствует количеству битума, указанному в утвержденном рецепте производственных составов смесей (5,0...6,5% сверх минеральной части - для плотного мелкозернистого асфальтобетона типа Б).
Результаты испытания образцов выявили взаимосвязь между глубиной колеи в асфальтобетонном покрытии и показателями сдвигоустойчивости асфальтобетона. Более глубокая колея образовалась в тех местах, где обнаружен более пластичный асфальтобетон с повышенным содержанием битума и соответственно меньшими показателями водонасыщения, коэффициента внутреннего трения и оцепления при сдвиге. Причем коэффициент внутреннего трения асфальтобетона в большинстве случаев оказался ниже требований, регламентированных ГОСТ 9128-09.
Проведенные исследования образцов из асфальтобетонной смеси с использованием дивинил-стирольного термопласта (ДСТ) показали, что при увеличении содержания полимера с 3 до 5% произошло некоторое увеличение прочности асфальтобетона на растяжение - в 1,15 раза при 00С, прочности при сжатии при 500С - в 1,06 раза и модуля остаточной деформации при 500С - в 1,21 раза. В целом, с увеличением содержания ДСТ с 3 до 5% сдвигоустойчивость повысилась до 1,26 раза.
Для контроля колейности поверхности дорожных слоев использовали трехметровую рейку. Измеряли просветы, их использовали для оценки степени колейности поверхности. Ко-лейность обследовалась на нескольких улицах города Брянска: Советской, Фокина, Авиационной, Красноармейской, пр. Ленина и других. Основные данные результатов обследований некоторых улиц показали, что колейность на улице Советской (остановка «Университет МВД») колеблется от 9 до 70 мм; на улице Фокина (остановка «Драмтеатр») - от 6 до 67 мм; переулок Трудовой (остановка «Стадион») - от 2 до 6 мм; проспект Ленина (остановка «Площадь Ленина») - от 1 до 27 мм и т.д.
Для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетонов разных видов на кафедре «Автомобильные дороги» БГИТУ был изготовлен прибор. Прибор представляет собой форму-цилиндр (камера прибора); в нее вставляется готовый образец из асфальтобетонной смеси или укладывается приготовленная асфальтобетонная смесь; смесь уплотняется при помощи штампа и направляющей втулки под прессом; через определенный промежуток времени (сутки) прикладывается разрушающая нагрузка; причем втулка со штампом упирается в упорное кольцо; образующаяся поверхность сдвига имеет площадь нижней части формы-цилиндра; для того чтобы смесь не просыпалась, используется подставка.
Испытания образцов, взятых из кернов асфальтобетонных покрытий улиц (автомобильных дорог), изготовление переформованных образцов и их испытания проводились в лаборатории «Технологии и организации строительства транспортных сооружений» кафедры «Автомобильные дороги».
С помощью прибора под прессом определяли нагрузку, при которой под штампом выдавливался образец из прибора в камеру. Измеряли высоту образца (начальную - после изготовления и до выдавливания, а также после выдавливания образца из прибора) и угол сдвига. Затем рассчитывали напряжение сдвига образца, относительную деформацию сдвига и сдвигоустойчивость испытываемого асфальтобетона. В результате испытаний предпочтение получили асфальтобетоны с повышенным содержанием щебня (более 45%), имеющие более высокую сдвигоустойчивость.
В таблице 1 приведены данные испытаний асфальтобетонных образцов на сдвиг, мо-
дифицированных техническим углеродом.
Таблица 1 - Данные проведенных испытаний
№ Образ- ца Добавка технического углерода от массы битума, % Температура испытания, Т,0С Прилагаемая разгрушаю-щая нагрузка, Н Высота образца, И, м Косинус угла, образованный поверхностью сдвига, cos а Напряжение сдвига, т, кН*103 Сдвиго-устойчивость, G*103, кН
1 0 20 11310 0,051 0,99 2,37 30
2 5 20 11680 0,050 0,99 2,49 31,5
3 10 20 11440 0,052 0,99 2,35 29,7
4 20 20 10510 0,051 0,99 2,2 27,8
1 0 50 4520 0,050 0,99 0,96 12,1
2 5 50 4790 0,051 0,99 1 12,6
3 10 50 4670 0,050 0,99 0,9 11,4
4 20 50 3900 0,051 0,99 0,81 10,2
Для уменьшения воздействия сдвигающих напряжений в асфальтобетонные смеси необходимо вводить модифицирующие добавки. От наличия добавок, а также от качества каменного заполнителя, битума и других материалов зависят свойства асфальтобетона. При введении определенных добавок (ДСТ, технического углерода, резиновой крошки) сдвигоустойчи-вость асфальтобетона повышается.
Например, при добавлении 5% технического углерода сверх массы битума асфальтобетон обладает большей сопротивляемостью разрушающей нагрузке, выдерживает большие напряжения сдвигу и обладает большей сдвигоустойчивостью. Можно рекомендовать при ремонте колейности на автомобильных дорогах добавление в асфальтобетонную смесь 5% технического углерода.
Изменение количества крупного заполнителя или вида и количества модифицирующих добавок позволяет достигнуть максимальной сдвигоустойчивости при оптимальном содержании щебня или модифицирующей добавки.
Проведенные испытания образцов позволяют сделать вывод о том, что действия модифицирующих добавок при введении их в битум или асфальтобетонную смесь специфичны и вводить их необходимо в строго определенном количестве.
Список литературы:
1. Полимерно-битумные вяжущие во Франции и Германии // Автомоб. дороги: а0нноти-рован. библиогр. сб. по вопросам стр-ва, ремонта и содержания автомоб. дорог и мостов (зару-беж. опыт) // Информавтодор. - 2002. - Вып. 2. - С. 31.
2. Кирюхин Г.Н. Нужны дифференцированные требования к сдвигоустойчивости асфальтобетона // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2003. - № 4.- С. 28-33.
3. ГОСТ 9128-09. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 2009. - 28 с.
