CC BY
57
УДК 625.855
ОБОСНОВАНИЕ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ПОЛИМЕРАСФАЛЬТОБЕТОНУ ПО ГОСТ 9128-2013
Л.М. Гохман, к.т.н., зав. лаб. строительной компании «Дорстройтехнологии»
Аннотация. В последнее время асфальтобетонные покрытия через 1-3 года эксплуатации накапливают многочисленные дефекты, в частности трещины, и требуют ремонта. Это приводит к невозможности обеспечить нормативный срок эксплуатации дорожной одежды до капитального ремонта - минимум 12 лет. Приведён способ решения этой проблемы.
Ключевые слова: битум, асфальтобетон, полимерно-битумное вяжущее, полимерасфальто-бетон, трещиностойкость, сдвигоустойчивость, дорожное покрытие.
обГрунтування нормативних вимог
ДО ПОЛ1МЕРАСФАЛБТОБЕТОНУ ЗА ГОСТ 9128-2013 Л.М. Гохман, к.т.н., зав. лаб. буд1вельноТ компанн «Дорстройтехнологн»
Анотац1я. Остантм часом асфальтобетонт покриття через 1-3 роки експлуатацп накопи-чують чисельт дефекти, зокрема трщини, i вимагають ремонту. Це призводить до немож-ливост1 забезпечити нормативний термт експлуатацп дорожнього одягу до капитального ремонту - м^тмум 12 poKie. Надано cnociö виршення цгег проблеми.
Ключов1 слова: бтум, асфальтобетон, пол1мерно-б1тумне в'яжуче, пол1мерасфальтобетон, трщиносттюсть, зсувосттюсть, дорожне покриття.
SUBSTANTIATION OF REGULATORY REQUIREMENTS TO POLYMER-ASPHALT CONCRETE ACCORDING TO GOST 9128-2013
L. Gokhman, Ph. D. (Eng.), Head of Laboratory of Constraction Company
«Dorstroitechnology»
Abstract. Recently, asphalf concrete pavements in 1-3 years of operation accumulate numerous defects, particularly, cracks and need repairing. This leads to the inability to provide a normal life time of the pavement before the overhaul at least 12 years. The article contains the solution of the problem in question.
Key words: bitumen, asphalt concrete, polymer-bitumen binder, polymer-asphalt concrete, crack resistance, shear stability, road pavement.
Введение
В декабре 2013 г. введён в действие стандарт ГОСТ 9128-2013, который впервые нормирует показатели физико-механических свойств полимерасфальтобетона, в том числе специально разработанные для оценки и регламентированного его качества, а также его идентификации и выявления преимуществ по сравнению с асфальтобетоном, показатели
трещиностойкости, усталостной прочности, глубины вдавливания штампа. Комплекс требований к полимерасфальтобетонным смесям и полимерасфальтобетону был разработан в лаборатории органических вяжущих материалов ОАО «Союздорнии» [1]. Разработка нормативных требований к полимерасфальтобетону осуществлялась на основании трёх основных принципов нормирования. Новый материал не должен уступать
или быть более высокого качества, чем применяемый для тех же целей и соответствующий действующему ГОСТ. В данном случае полимерасфальтобетон не должен уступать по качеству асфальтобетону по ГОСТ 91282009, то есть «действовать в направлении от достигнутого».
Не допускается сужать номенклатуру показателей качества по сравнению с имеющей место в действующем ГОСТ. При этом исключение из действующей номенклатуры хотя бы одного показателя рассматривается как ухудшение качества материала, а снижение требований по конкретному показателю требует введения дополнительного показателя или показателей, доказывающих, что качество нового материала не уступает качеству юстированного.
Предлагаемые стандартные показатели должны быть доступны для определения в заводских лабораториях на всей территории России, желательно - в течение одной рабочей смены, и, по возможности, не требовать специального оборудования.
Анализ публикаций
Принципиальное отличие полимер-асфальтобетона от асфальтобетона заключается в применении в качестве вяжущего ПБВ (по ГОСТ Р 52056-2003) вместо битума (по ГОСТ 22245-90). При этом ПБВ на основе блоксополимеров типа СБС (по ГОСТ Р52056), в отличие от зарубежных аналогов, с учетом климатических условий России и на основе основных положений физической химии растворов полимеров, содержит в своём составе пластификатор и поверхностно-активное вещество.
Накоплен опыт применения полимерасфаль-тобетонов в различных климатических условиях. Всего построено к настоящему времени дорожных, мостовых и аэродромных покрытий и устроено поверхностных обработок более 5500 км, приготовлено и уложено около 4,5 млн т полимерасфальтобетонных смесей. Только в 2014 г. изготовлено и применено для изготовления полимерасфальтобетонных смесей около 190 тысяч тонн ПБВ по ГОСТ Р 52056-2003. Среди множества объектов можно отметить устроенное в 1976 г. покрытие из полимерасфальтобетона по ортотропной плите пролетного строения Бай-
тового моста «Северный» через р. Днепр в Киеве в 1995-1999 гг. [2, 3].
Проведенные обследования и анализ литературных источников [1-5] показали, что срок службы покрытий увеличивается в 2-3 раза по сравнению с обычными асфальтобетонными дорожными покрытиями.
Цель и постановка задачи
Комплекс стандартных показателей ГОСТ 9128-2013 содержит, наряду с показателями, регламентирующими качество асфальтобетона по ГОСТ 9128-2009, такие важнейшие показатели как: температура трещиностойко-сти (Гтр), усталостная прочность (^50), глубина вдавливания штампа (Н50). Введение этих показателей явилось, кроме того, вынужденной мерой во избежание возможных злоупотреблений при его изготовлении и применении этого дорогостоящего материала. Учитывая, что ПБВ, в отличие от битумов, характеризуется существенно большим содержанием в дисперсионной среде парафинона-фтеновых углеводородов, необходимо было учесть специфику зерновых составов полимерасфальтобетонных смесей по сравнению с асфальтобетонными в части повышения содержания минерального порошка. Это обусловлено тем, что критическая концентрация структурообразования минерального порошка в полимерасфальтовяжущем выше, чем в асфальтовяжущем, особенно при высоком содержании пластификатора в ПБВ.
Принципы составления (разработки) стандартов
Повышенные тиксотропные свойства полимерно-битумных вяжущих, обусловленные наличием в них, наряду с коагуляционным каркасом из асфальтеновых комплексов, развитой полимерной пространственной структурной сетки, приводит к тому, что степень разрушения их структуры всегда выше (разрушаются две пространственные структуры), чем у битумов, где, в лучшем случае (марки БНД), имеет место только коагуляционный каркас из асфальтеновых комплексов. Из-за этого при истинной прочности - динамическом пределе текучести при сдвиге - систем, структурированных полимером, более высоком, чем у битумов (а следовательно, более высокой сдвигоустойчивости материалов на их основе); предел прочности при одноосном
сжатии полимерасфальтобетона ^50) может быть ниже, чем для асфальтобетона того же состава. Показатель прочности на сжатие определяется при напряжениях, значительно превышающих истинный предел прочности (Рк2) полимерасфальтобетона и асфальтобетона. При напряжениях, которые возникают в реальных условиях эксплуатации дорожных покрытий, когда материал покрытия исчерпал свои возможности, разрушается и пространственная структура плёнок вяжущего. Для определения Рк2 (Бингамовский предел текучести), характеризующего область напряжений, в которой упруговязкопластич-ный материал, в частности, асфальтобетон и полимерасфальтобетон, работает практически без разрушения структуры, в Союздор-нии были проведены исследования реологических свойств песчаных асфальтобетонов и полимерасфальтобетонов, характеризующихся различными значениями R50, в условиях простого сдвига при 50 °С на когезиометре Союздорнии [3].
Полимерасфальтобетон изготавливали на основе ПБВ марки ПБВ 90, соответствующей требованиям ГОСТ Р 52056, а асфальтобетон - на основе битумов марок БНД 60/90 и БН 60/90, соответствующих требованиям ГОСТ 22245-90. Из полученных данных следует, что асфальтобетон на основе битума БНД характеризуется прочностью R50=1,3 МПа (ГОСТ 9128), а его истинная прочность гк2 равна 9,6 103 Па. Для достижения такого значения Рк2 предел прочности полимерасфальтобетона при одноосном сжатии R50 может составлять всего 0,78 МПа, то есть на 40 % ниже, что обусловлено наличием одновременно двух пространственных структур в ПБВ. Таким образом, нормативные требования к этому показателю могут быть снижены максимально на 40 %. Для достижения такого же Рк2 для асфальтобетона на основе битумов марок БН R50 должен составлять 1,85 МПа, то есть на 42,3 % больше, что связано с отсутствием развитой пространственной коагуляционной структуры в битумах марок БН. Необходимо отметить, что в последние годы объёмы производства битумов марок БН увеличились, что может привести к снижению сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий. Приведённые данные доказывают, что снижение нормативных требований к R50 даже на 40 % не снижает сдвиго-устойчивость полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном при 50 °С, а
снижение этих требований всего на 10 % (ГОСТ 9128-2013), когда R50=1,17 МПа, позволит получить Рк2=11,8-103 Па, то есть на 23 % выше, чем для асфальтобетона, что гарантирует существенно более высокую сдви-гоустойчивость полимерасфальтобетонных покрытий.
Ранее в Союздорнии [6] были проведены исследования реологических свойств полимерасфальтобетонов, приготовленных на основе ПБВ с 2 % и 5 % блоксополимера типа СБС с равным количеством пластификатора, и асфальтобетона, приготовленного на основе исходного битума, в статическом режиме деформирования в условиях трехточечного изгиба балочки. Анализ полученных данных [3] показал, что сопротивление сдвигу, охарактеризованное наибольшей вязкостью условно неразрушенной структуры, при 20 °С изменяется от 11,61010 кгсс/см2 до 15,61010 кгс с/см2 - при 2 % СБС и до 31,21010 кгс с/см2 - при 5 % СБС, то есть увеличивается на 34,5 % и 169 % соответственно. При этом упругость, охарактеризованная модулем деформации, увеличивается с 0,24 кгс/см2 до 0,36 кгс/см2 (на 50 %) - при 2 % СБС и до 0,96 кгс/см2 (на 300 %) - при 5 % СБС. Эти данные свидетельствуют о том, что снижение нормативных требований к пределу прочности при сжатии при 20 °С к полимерасфальтобетону на 20 % не снижает его прочность, деформативность и сдвиго-устойчивость по сравнению с асфальтобетоном. Таким образом, показано, что показатель предела прочности при сжатии является условным, практически не связанным с работоспособностью материалов в покрытиях, по двум причинам: во-первых, он определяется как усилие, необходимое для полного разрушения материала при быстром и единовременном воздействии возрастающей нагрузки, то есть характеризует его в разрушенном состоянии, а не в процессе эксплуатации; во-вторых, он искажает картину реальной работоспособности этих материалов в зависимости не только от структуры вяжущего, но и от структуры минеральной части асфальтобетона. Щебенистые асфальтобетоны (тип А и щебеночно-мастичные) существенно более сдвигоустойчивы в покрытиях, чем песчаные типа Г, хотя их прочность на сжатие при 50 °С, гораздо ниже (на 18 % типа А и на 35 % ЩМА). Скептическое отношение к пределу прочности при одноосном сжатии высказывали многие известные и авторитет-
ные учёные: профессора H.H. Иванов, C.B. Шестопёров, Н.В. Горелышев и другие.
Для того, чтобы соблюсти принцип нормирования в отношении сужения номенклатуры показателя, а в будущем, при накоплении достаточного количества практических данных, и исключить этот показатель из номенклатуры показателей, регламентирующих в ГОСТах качество асфальтобетона, и оценивать его более объективно, были разработаны в лаборатории асфальтобетонных покрытий Союздорнии (ГОСТ 9128-97) методы определения сдвигоустойчивости асфальтобетона по коэффициенту внутреннего трения (tg9) и по сцеплению (C50) при 50 °С . Эти показатели исключают рассмотренное выше противоречие [7].
Результаты экспериментальных исследований
В процессе разработки нормативных требований к полимерасфальтобетону были проведены сопоставительные исследования по-лимерасфальтобетонов типов А, Б, В, Г, Д на основе ПБВ марок ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ130, ПБВ90, ПБВ 60, ПБВ 40 по ГОСТ Р 52056-2003 и асфальтобетонов типов А, Б, В, Г, Д на основе битумов, представляющих весь диапазон по вязкости, марок БНД 60/90 и БНД 200/300 по ГОСТ 22245-90 [1].
Полученные результаты свидетельствуют о более высокой сдвигоустойчивости полимер-асфальтобетона (табл. 1).
Таблица 1 Сравнение показателей сдвигоустойчивости и усталостной прочности полимерасфальтобетонов и асфальтобетонов при 50 °С
Марка Тип Показатели для Показатели усталости и вдавли-
вяжущего смеси сдвигоустойчивости, % вания штампа, %
^ Ф C50 N50 H50
А 4,5 28,0 200 6,7
БНД Б 2,4 6,2 75 17,4
200/300 В 2,5 11,0 150 20,6
и ПБВ200 Г 6,5 10,5 100 22,5
д 6,9 17,5 200 15,0
Сумма 22,8 73,2 725 82,2
А 3,5 16,7 63,6 10,4
БНД Б 3,5 31,0 150 15,0
60/90 В 1,2 4,8 100 0,0
и ПБВ60 Г 10,8 28,0 89 2,2
Д 2,5 5,8 350 7,1
Сумма 21,5 73,8 752 34,7
Общая сумма 44,3 159,5 1477 116,9
При этом преимущества полимерасфальтобе-тона по сравнению с асфальтобетоном в наибольшей степени проявляются при определении показателя его усталостной прочности Особенно это касается типа Д. Это позволяет предположить возможность расширения области применения песчаных по-лимерасфальтобетонных смесей типа Д. Влияние вязкости (изменение марки от ПБВ 300 до ПБВ 40) ПБВ для полимерасфальто-бетонных смесей всех типов (А, Б, В, Г, Д) существенно в большей степени (в несколько раз) проявляется при определении специальных показателей (глубины вдавливания штампа и усталостной прочности), по сравнению с показателями коэффициента внутреннего трения и по сцеплению.
По устойчивости полимерасфальтобетона, по сравнению с асфальтобетоном, против образования трещин на покрытиях дорог, мостов и аэродромов при отрицательных температурах воздуха и динамическом воздействии от колёс автомобилей полимерасфальтобетон характеризуется наиболее существенными, принципиальными преимуществами: в зависимости от значения температуры хрупкости ПБВ может характеризоваться требуемыми для климатических условий значениями показателя температуры трещиностойкости в пределах от минус 15 °С до минус 63 °С. В то же время асфальтобетон, независимо от качества и марки битума, не выдерживает требования по температуре трещиностойкости ниже минус 15 °С, то есть не обеспечивает требуемую трещиностойкость покрытий
на 99 % территории, так как температура хрупкости вязких дорожных битумов по ГОСТ 22245 не может быть ниже минус 20 °С. Это качество асфальтобетона иллюстрируется повсеместным образованием трещин на асфальтобетонных покрытиях дорог, мостов и аэродромов часто уже после первого года эксплуатации. В связи с этим ГОСТ 9128-2013 регламентирует требования к специальному показателю - температуре трещиностойкости полимерасфальтобетона в соответствии с принципом: «нормы трещиностойкости не должны быть выше температуры воздуха наиболее холодных суток, значения которых приведены в действующих нормативно-технических документах».
Испытания по определению глубины вдавливания штампа проводятся в условиях, близких к эксплуатационным. При этом образец продавливается штампом на глубину нескольких миллиметров, сопоставимую с допустимыми неровностями на покрытии. Как показано в табл.1, он более чувствителен к сдвигоустойчивости, чем С50 и tqф.
Как показали многолетние наблюдения за участками верхних слоев покрытий автомобильных дорог, мостов, аэродромов, построенных с применением разжиженных ПБВ [3], в соответствии с ТУ 35 1669-88, где нормировалось для полимерасфальтобетонов снижение R50 - на 10 %, а R20 - на 20 % по сравнению с асфальтобетоном, несмотря на более низкое значение R50, колей, волн, наплывов в течение многих лет эксплуатации не наблюдалось.
На основе натурных наблюдений в данном стандарте снижены требования к пределам прочности: при 50 °С - на 10 %, при 20 °С -на 20 % - для всех видов полимерасфальтобетонов. При этом соответствие показателей сдвигоустойчивости (С50, tqф) требованиям, предъявляемым к асфальтобетону, гарантировано. Снижая требования к R50, можно существенно повысить требования к деформа-тивности полимерасфальтобетонов при 0 °С. Предел прочности при сжатии при 0 °С снижен на 15 % - при применении ПБВ 40 и ПБВ 60 и на 33-40 % - при применении ПБВ 90, ПБВ 130, ПБВ 200, ПБВ 300, что обеспечивает более высокую деформатив-ность и трещиностойкость полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном. Это согласуется с данными [3, 4], согласно
которым равновесный модуль деформации полимерасфальтобетона при минус 20 °С ниже, чем для асфальтобетона, более чем в 6 раз.
Опыт применения полимерасфальтобетон-ных смесей типа А с использованием ПБВ на основе СБС с пластификатором - маслом марки И-40А при устройстве покрытия показал, что водонасыщение кернов из покрытия, при коэффициенте уплотнения не менее 0,99, в среднем в 1,6 раза ниже водонасыщения переформованных из них образцов. При этом коэффициент длительной водостойкости соответствовал требованиям ГОСТ 9128, предъявляемым к асфальтобетону. Это позволяет снизить нормы водонасыщения (Ж) и остаточной пористости (Г0) по сравнению с асфальтобетоном и получить водо- и морозостойкие покрытия с достаточно высокой сдвигоустойчивостью при положительных температурах и трещиностойкостью - при отрицательных. Особенности состава полимерасфальтобетона заключаются в необходимости: увеличения зерен мельче 0,071 мм в полимерасфальтовяжущем для смесей типов В, Г и Д - при применении ПБВ 200 и ПБВ 300 и повышения содержания полимер-битумного вяжущего. Для определения границы работоспособности полимерасфальтобетона в области отрицательных температур предложен метод, основанный на условиях эксплуатации покрытия. Критерием назначения норм трещиностойкости является температура воздуха наиболее холодных суток района эксплуатации, в соответствии со СНиП 23.01.09 «Строительная климатология».
ПБВ на основе СБС характеризуется значительно большей эластичностью, чем битумы, следовательно, доля упругих (обратимых) деформаций (более 70 %) позволяет обеспечить полимерасфальтобетонам повышенную динамическую устойчивость при многократном воздействии колес автомобилей на покрытие, т.е. повышенную долговременную прочность.
Выводы
Известные теоретические положения, экспериментальные данные и опыт внедрения полимерасфальтобетона позволят увеличить сроки службы дорожных покрытий в России без дефектов в виде трещин, сдвигов, выбоин
и т.п. до 12 и более лет только при соблюдении следующих условий.
В техническом задании на проектирование и проекте, наряду с маркой полимерасфальто-бетона, требованиями к нему по ГОСТ 91282013, должны быть установлены региональные требования относительно: температур размягчения и хрупкости ПБР (по ГОСТ 9128-2013 и ГОСТ 52056), температуры тре-щиностойкости полимерасфальтобетона (ГОСТ 9128-2013), показателей его усталостной прочности и глубины вдавливания штампа (по ГОСТ 9128-13).
В процессе производства работ по устройству покрытия из полимерасфальтобетонных смесей рекомендуется выполнять поверхностную обработку на основе ПБВ, возобновляемую каждые 5 лет в целях повышения водо- и морозостойкости покрытия, исключения износа и обеспечения требуемой безопасности движения автомобилей. В целях исключения образования отраженных трещин на покрытиях, подгрунтовка под слоем полимерасфальтобетонного покрытия должна обладать комплексом свойств, позволяющим ей выполнять одновременно роль тре-щинопрерывающей прослойки в течение межремонтного срока службы покрытия.
В проекте должны быть предусмотрены работы, обеспечивающие: водоотвод, надёжно функционирующий вплоть до капитального ремонта, - как поверхностный, так и дренаж; требуемую капитальность дорожной одежды; учёт сезонных колебаний модулей упругости грунтов земляного полотна; исключение проблем, связанных с использованием глинистых и суглинистых, а также неукреплённых грунтов.
Литература
1. Гохман Л.М. Проект ГОСТ Р «Смеси по-
лимерасфальтобетонные дорожные, аэродромные и полимерасфальтобетон. Технические условия» / Л.М. Гохман, О. В. Гавриленко // Автомобильные дороги. - 2008. - №8. - С. 104-113.
2. Гохман Л.М. История разработки и про-
блемы с внедрением ПБВ в России. / Л.М. Гохман // Автомобильные дороги. - 2013. - №8. - С. 66-69.
3. Гохман Л.М. Комплексные органические
вяжущие материалы на основе блоксо-полимеров типа СБС / Л.М. Гохман -М.: ЗАО Экон-Информ, 2004. - 584 с.
4. Bitumen and bituminous binders. Specifica-
tion framework for polymer modified bitumens : EN 14023 - London.: BSI. -2010. - 34 p.
5. Модифицированные битумные вяжущие,
специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительстве / под общ. ред. В.А. Золотарева, В.И. Братчуна; пер. с франц. - X.: ХНАДУ, 2003. - 300 с.
6. Гохман Л.М. Исследование деформацион-
ной устойчивости асфальтобетона с применением ПБВ (на основе ДСТ) в статическом и динамическом режимах деформирования / Л.М. Гохман,
B.А. Золотарёв, Л.Б. Гезенцвей // Труды Союздорнии. - 1977. - Вып. 89. -
C.68-87.
7. Кирюхин Г. Устойчивость асфальтобетон-
ных покрытий к колееобразованию / Г. Кирюхин. - Саарбрюккен: Lambert Academic Pablishing, 2014. - 272 с.
Рецензент: В.А. Золотарёв, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
