Научная статья на тему 'Оценка устойчивости асфальтобетонов к воздействию влаги и попеременному замораживанию-оттаиванию'

Оценка устойчивости асфальтобетонов к воздействию влаги и попеременному замораживанию-оттаиванию Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
282
21
Поделиться
Ключевые слова
АСФАЛЬТОБЕТОН / ВОДОСТОЙКОСТЬ / МОРОЗОСТОЙКОСТЬ / МОДУЛЬ ЖЕСТКОСТИ / БИТУМ / ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ / ВОДОСТіЙКіСТЬ / МОРОЗОСТіЙКіСТЬ / МОДУЛЬ ЖОРСТКОСТі / БіТУМ / ПОЛіМЕРНО-БіТУМНЕ В'ЯЖУЧЕ / ASPHALT CONCRETE / WATER RESISTANCE / FROST RESISTANCE / STIFFNESS MODULUS / BITUMEN / POLYMER-BITUMINOUS BINDER

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Колесник Д.А., Мантопкин С.А.

Рассматривается метод испытания, который позволяет оценить устойчивость асфальтобетона к воздействию воды, в том числе при попеременном замораживании-оттаивании, для битумов исходных и модифицированных полимерами, добавками поверхностно-активных веществ. Предложенный метод позволяет оценить долговечность асфальтобетона, выбрать оптимальные полимерные модификаторы и адгезионные присадки.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Колесник Д.А., Мантопкин С.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ESTIMATION OF ASPHALT-CONCRETE RESISTANCE TO THE INFLUENCE OF MOISTURE AND THE ALTERNATING FREEZING AND DEFROSTING

The methed of analysis which allows evaluating the asphalt concrete resistance to water (including freezing and defrosting) is considered.

Текст научной работы на тему «Оценка устойчивости асфальтобетонов к воздействию влаги и попеременному замораживанию-оттаиванию»

УДК 691.168

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЛАГИ И ПОПЕРЕМЕННОМУ ЗАМОРАЖИВАНИЮ-ОТТАИВАНИЮ

Д.А. Колесник, руководитель группы исследования строительных материалов, С.А. Мантопкнн, начальник центральной испытательной

лаборатории, АО «ВАД»

Аннотация. Рассматривается метод испытания, который позволяет оценить устойчивость асфальтобетона к воздействию воды, в том числе при попеременном замораживании-оттаивании, для битумов исходных и модифицированных полимерами, добавками поверхностно-активных веществ. Предложенный метод позволяет оценить долговечность асфальтобетона, выбрать оптимальные полимерные модификаторы и адгезионные присадки.

Ключевые слова: асфальтобетон, водостойкость, морозостойкость, модуль жесткости, битум, полимерно-битумное вяжущее.

ОЦ1НКА СТ1ЙКОСТ1АСФАЛЬТОБЕТОНШ ДО ДП ВОЛОГИ ТА ЗМ1ННОГО

ЗАМОРОЖУВАННЯ-В1ДТАВАННЯ

Д.А. Колесник, кер1вник групи дослщження буд1вельних матер1ал1в, С.А. Мантопкш, начальник центрально!' випробувально!' лабораторп,

AT «ВАД»

Анотац1я. Розглядаеться метод досл1дження, що дозволяе оцтити стойкость асфальтобетону до diï води, у тому число при поперемтному заморожуванм-в1дтаванш, для ôimyMie euxidnux i модифтованих пол1мерами, добавками поверхнево-активних речовин. Запропонова-ний метод дозволяе оцтити довгов^чтстъ асфальтобетону, обрати оптимально поломерт мо-дифокатори i адгезойно присадки.

Ключов1 слова: асфальтобетон, водосттюсть, морозостойкость, модуль жорсткост1, вотум, пол1мерно-в1тумне в 'яжуче.

ESTIMATION OF ASPHALT-CONCRETE RESISTANCE TO THE INFLUENCE OF MOISTURE AND THE ALTERNATING FREEZING AND DEFROSTING

D. Kolesnik, Head of Construction Materials Research Group, S. Mantopkin, Head of Central Testing Laboratory, Joint-Stock Company «VAD»

Abstract. The methed of analysis which allows evaluating the asphalt concrete resistance to water (including freezing and defrosting) is considered.

Key words: asphalt concrete, water resistance, frost resistance, stiffness modulus, bitumen, polymer-bituminous binder.

Введение

Вода - основной враг дороги, в результате её воздействия происходит ослабление всей дорожной конструкции: понижается устойчивость земляного полотна и основания, уменьшается его прочность, ухудшается спо-

собность воспринимать и перераспределять нагрузки от проезжающего автомобильного транспорта; кроме того, в процессе попеременного замораживания-оттаивания могут происходить значительные разрушения дорожной одежды. Верхние слои конструкции наиболее часто подвергаются воздействию

влаги и циклам перехода через 0 °С, вода может проникать в них с трех сторон: сверху, вследствие выпадения осадков, - дождя, снега, сбоку - при насыщении обочин талой и поверхностной водой и снизу - при поднятии грунтовых вод. Вследствие такого водона-сыщения асфальтобетона возможно отслоение битумных пленок от поверхности каменного материала, нарушение связей и снижение сцепления, а при замораживании вода в порах расширяется, что приводит к возникновению микроразрушений (микротрещин в битумоминеральном материале), которые прогрессируют от цикла к циклу.

В результате может наблюдаться значительное снижение прочности асфальтобетона: чем больше циклов замораживания-оттаивания, тем быстрее происходит разрушение. На дороге могут появляться такие дефекты как шелушение, выкрашивание, выбоины, трещины, а при снижении прочности и ослаблении всего конструктива дорожной одежды может возникнуть колея с сеткой трещин. Именно поэтому необходимо контролировать водостойкость и морозостойкость асфальтобетона.

Анализ публикаций

ГОСТ 9128 [1] предусматривает контроль воздействия воды на асфальтобетон по показателям водостойкости, в том числе при длительном водонасыщении. Сущность метода заключается в оценке степени падения прочности при сжатии образцов после воздействия на них воды в условиях вакуума и в случае длительной водостойкости после воздействия на них воды в течение 15 суток (т.е. водостойкость - отношение прочности при 20 °С после водонасыщения стандартных образцов к исходной прочности) [2]. При этом стандартом не учитывается попеременное замораживание - оттаивание, которое может вносить значительный вклад в снижение прочности, долговечности и приводить к быстрому разрушению асфальтобетона.

В Американском стандарте AASHTO Т283 [3] оценка воздействия воды на асфальтобетон проводится после замораживания-оттаивания образцов асфальтобетона; при этом количество циклов может определяться спецификациями и зависит от климатических условий в каждом конкретном штате. В системе «Суперпейв» стандарт AASHTO Т283

[3] устанавливает методику испытания асфальтобетона на устойчивость к воздействию воды, согласно которой изготавливается серия из 6-9 образцов диаметром 150 мм и толщиной 100 мм с повышенной остаточной пористостью 7±1 %, что соответствует наихудшему допустимому фактическому результату уплотнения на дороге. Первую половину серии хранят на воздухе, вторую -водонасыщают, заворачивают в пищевую пленку, замораживают в течение суток, после чего помещают в водяную баню с температурой 60 °С и выдерживают в течение 24 часов. После образцы термостатируют 2 часа при 25 °С и испытывают на прочность по образующей (растяжение при расколе). Первую серию образцов термостатируют, не допуская воздействия воды, и так же испытывают. Коэффициент водостойкости рассчитывают в процентах, и в большинстве спецификаций он должен быть более 80 %.

На первый взгляд, требования по водостойкости в США ниже, чем предусмотренные ГОСТ 9128 [1], но при детальном анализе получается обратная картина. Поскольку испытания проходят в довольно жестких условиях замораживания - оттаивания и при этом количество пор асфальтобетона фиксировано, для всех видов смесей, остаточная пористость составляет порядка 7±1 %, что характерно для пористых асфальтобетонов, для которых водостойкость варьируется в пределах от не менее 0,5-0,7 или, в пересчете на проценты, не менее 50-70 %. Таким образом, американская методика предусматривает более жесткие условия испытания, а спецификации предъявляют более высокие требования к водостойкости и при этом учитывают циклическое замораживание-оттаивание -морозостойкость. Как в ГОСТ 12801 [2], так и в зарубежной методике есть существенный недостаток - оценка водостойкости происходит по соотношению разрушающей прочности серии образцов, каждый из которых может значительно отличаться от другого, несмотря на соблюдение всех условий стандарта при изготовлении образцов и их испытаниях.

Как следствие, в лаборатории получаются не всегда корректные результаты, что происходит в силу ряда причин, связанных с неоднородностью и сегрегацией минерального материала, старением и адсорбцией вяжущего в процессе формовки, отличием внутренней

структуры и объемно-весовых характеристик асфальтобетонных образцов, разницей в геометрических размерах и т.д. [4, 5].

Цель и постановка задачи

Хорошим решением по определению водостойкости является комбинированный метод испытания асфальтобетона, основанный на определении степени падения модуля жесткости (1) при воздействии на него попеременного замораживания-оттаивания, в соответствии с американской методикой AASHTO Т283 [3]

МРЗ = (^Мрз/^пер)х100, (1)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где МРЗ - водостойкость-морозостойкость, по комбинированной методике, %; «мрз - модуль жесткости после циклов замораживания-оттаивания, МПа; «пер - первоначальный модуль жесткости, МПа.

Испытание асфальтобетона на жесткость по методике Е1 12697-26 (метод С) - это нераз-рушающий способ контроля, который позволяет проводить испытания на одном и том же образце до и после воздействия воды [4]. В результате мы можем получить более точные данные по водостойкости и использовать данный метод для оценки воздействия адгезионных добавок, полимерных модификаторов, дифференцирования качества вяжущих, при подборе состава асфальтобетонных смесей и, что немаловажно, определять водостойкость асфальтобетонов, уже уложенных в покрытие по выпиленным кернам.

Экспериментальные данные по водо- и морозоустойчивости асфальтобетона

В большинстве случаев для устройства нижних слоев асфальтобетонной дорожной одежды используют крупнозернистые пористые и высокопористые асфальтобетонные смеси, остаточная пористость которых составляет от 5 до 10 % и свыше 10 % соответственно. В итоге мы имеем слой с высокой проницаемостью, который периодически насыщается водой и теряет свои прочностные характеристики, в следствие чего ослабевает вся конструкция дорожной одежды. На рис. 1 показана зависимость водостойкости асфальтобетонов от различной остаточной пористости. Испытания проводились в

соответствии с вышеописанной комплексной методикой, с использованием материалов одного происхождения (гранит) и битума марки БНД 60/90. Как видно из графика, асфальтобетоны с остаточной пористостью приблизительно от 1,5 до 5 % обладают высокой степенью устойчивости к воздействию влаги; такие асфальтобетоны устойчивы к прониканию воды. В то же время при пористости от 5 до 15 % происходит снижение водостойкости из-за увеличения проницаемости, количества взаимосвязанных открытых пор и способности асфальтобетона удерживать влагу при данной остаточной пористости. При достаточно высокой остаточной пористости, свыше 15 % (что характерно для дренирующих асфальтобетонов и открытых битумоминеральных смесей), значение водостойкости возрастает; это связано с тем, что вода не удерживается в таком асфальтобетоне и свободно вытекает из образцов.

Рис. 1. График зависимости водостойкости от остаточной пористости асфальтобетона

Данные результаты эксперимента согласуются с результатами работы [6], где отмечается, что в крупнозернистых смесях содержится большое количество взаимосвязанных, открытых пор и такие смеси склонны к прониканию воды и обладают высокой водопроницаемостью, даже при остаточной пористости 5-7 %.

В работах [7, 8] приводится множество фактических примеров преждевременного разрушения покрытий, где причиной являлись асфальтобетонные слои, которые поглощали и удерживали влагу. При насыщении водой и под действием движения автомобильного транспорта происходит отслоение битумной пленки от каменного материала, что приводит к дальнейшим повреждениям слоев асфальтобетона. Также приводятся данные, что большинство выбоин и разрушений наблю-

дается в правой крайней части покрытия, поскольку именно там происходит накопление воды и наиболее интенсивное движение грузового транспорта.

Таким образом, для увеличения долговечности дорожного покрытия необходимо отказаться от применения пористых и высокопористых асфальтобетонных смесей и использовать различные адгезионные присадки и модификаторы для повышения устойчивости асфальтобетона к воздействию влаги.

В решении вопроса выбора и применения адгезионных присадок, определения их эффективности также применим подход определения водостойкости на основе комплексной методики. На рис. 2 приведены результаты сравнения водостойкости различных адгезионных добавок при исследовании в лаборатории, проведенном на образцах, изготовленных на гираторе из асфальтобетонной смеси (тип Г) на основе гранитного песка из отсева дробления.

100

о о

о о ч о ш

50

01 23456789 10 Количество циклов замораживания/оттаивания

Рис. 2. График зависимости водостойкости от количества циклов замораживания-оттаивания

Следует отметить, что после 1-го цикла практически весь материал удовлетворяет требование к водостойкости (не менее 80 %), за исключением чистого битума, падение жесткости асфальтобетона на котором составило около 40 %. Но уже после пятого и десятого циклов картина существенно меняется и можно наблюдать различное поведение асфальтобетонов с применением адгезионных присадок, оценивая их работоспособность и долговечность. Из экспериментальных данных следует вывод, что при

использовании принятого минерального материала необходимо применение адгезионных присадок, независимо от используемых вяжущих материалов (ПБВ, битум). При этом выбор в пользу более стабильных и долговечных добавок становится очевидным.

При проведении опытно-экспериментальных работ в 2015 г. [9] и сравнении различных типов асфальтобетона, для оценки водостойкости кернов, выпиленных из покрытия, использовалась комплексная методика. В данном случае проводились две стадии испытаний - после первого и пятого циклов замораживания-оттаивания; результаты приведены в виде диаграммы на рис. 3.

Ш 1 цикл И 5 циклов

о о

о о ч о ш

° о

< ш :> ш

о) о

V <9 < т

с/5 с

о £ 5-ю1-

Рис. 3. Диаграмма водостойкости асфальтобетонных кернов, выпиленных из покрытия (где Sp-19 и SMA-19 - асфальтобетоны, запроектированные по системе Superpave; гибридный ПБВ -вяжущие на основе двух полимеров -СБС и окисленного полиэтиленового воска низкого давления

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Следует отметить, что при выборе полимерно-битумного вяжущего проводилась оценка его адгезионной способности методом кипячения. Все марки вяжущего показали отличное сцепление с применяемым каменным материалом (габбро-диабаз), но результаты испытаний асфальтобетона выявили отличия: водостойкость у ЩМА с применением гибридного ПБВ выше, что немаловажно для влажного климата с частыми переходами через 0 °С в зимний период.

Выводы

Использование комплексной методики испытания на водостойкость (морозостойкость) по потере модуля жесткости асфальтобетона

0

при попеременном замораживании-оттаивании позволяет эффективно контролировать устойчивость к воздействию воды. Также представляется возможность оценивать и прогнозировать долговечность как при текущем лабораторном контроле качества, так и при подборе состава асфальтобетонной смеси. Открывается возможность выбора оптимальных полимерных модификаторов и адгезионных присадок.

Литература

1. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэро-

дромные и асфальтобетон. Технические условия : ГОСТ 9128-2009. - [Введен в действие 2011-01-01]. - Москва: Стан-дартинформ, 2010. - 18 с.

2. Материалы на основе органических вяжу-

щих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний : ГОСТ 12801-98. - [Введен в действие 1999-01-01]. - Москва: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2010. - 60 с.

3. Resistance of compacted asphalt mixtures to

moisture-induced damage: AASHTO T283-07, 2011. - 8 p.

4. Колесник Д. А. Методы испытания асфаль-

тобетона (Ч. 1. Уплотнение) / Д. А. Колесник, Д.В. Пахаренко // Дорожная держава. - 2013. - Вып. 45. - С. 64-68.

5. Колесник Д. А. Методы испытания асфаль-

тобетона. Физико-механические свойства: модуль жесткости и трехосное циклическое испытание на сжатие / Д.А. Колесник, О.С. Некрасова // Дорожная держава. - 2013. - Вып. 46. -С.46-50.

6. Mallick R.B. Evaluation of Factors Affecting

Permeability of Superpave Designed Pavements / Rajib B. Mallick, L. Allen Cooley, Jr., Matthew R. Teto, Richard L. Bradbury, Dale Peabody. - National Center for Asphalt Technology: Report 03-02. -2003. - 30 p.

7. Kandhal P.S. Premature Failure of Asphalt

Overlays from Stripping: Case Histories / P.S. Kandhal, I. Rickards // Asphalt Paving Technology. - 2001. - Vol. 70. - P. 38.

8. Kandhal P.S. Moisture Susceptibility of

HMA Mixes: Identification of Problem and Recommended Solutions. / P.S. Kandhal // National Asphalt Pavement Association : Quality Improvement Publication (QIP). -1992. - Vol. 119. - P. 61.

9. Колесник Д.А. Опытно-эксперименталь-

ные работы ЗАО «ВАД» / Д.А. Колесник, Д.В. Пахаренко // Дорожная техника. - 2016.- С. 28-35.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.