Сдвигоустойчивость щебеночно-мастичного асфальтобетона Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.85

СДВИГОУСТОЙЧИВОСТЬ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО

АСФАЛЬТОБЕТОНА

Г.Н. Кирюхин, к.т.н., зав. лаб., ОАО СоюздорНИИ

Аннотация. На примере щебеночно-мастичного асфальтобетона рассмотрены особенности необратимого деформирования при сдвиге и основные пути повышения сдвигоустойчивости дорожных покрытий.

Ключевые слова: асфальтобетон, минеральный остов, битумное вяжущее, реология, сдвигоустойчивость, колееобразование.

Введение

Под сдвигоустойчивостью принято понимать эксплуатационное свойство асфальтобетона сопротивляться необратимому пластичес-ко-му деформированию при многократном приложении колесной нагрузки. Способность асфальтобетона сопротивляться дефор-мациям и разрушению обусловлена его структурой и зависит от реологических характеристик, таких как вязкость, упругость и пластичность, которые корреспондируются с усталостной прочностью материала. Поэтому изучение реологических свойств асфальтобетона, особенно при нестационарных усло-виях нагру-жения, имеет решающее значение для прогнозирования работоспособности и долговечности асфальтобетонных покрытий. Информация о характере деформаций и течении битумных материалов под действием эксплуатационных нагрузок необходима для обоснования их рациональной структуры, позволяющей повысить надежность и долговечность дорожных конструкций.

Анализ публикаций

Асфальтобетон является грубодисперсным материалом, состоящим из минеральных зерен различной крупности (от 0,001 до 40 мм), которые связаны между собой прослойками битума в монолит. В свою очередь битумное вяжущее является дисперсной системой с коагуляционной структурой, в которой связь между частицами дисперсной фазы осуществляется посредством множества коагуляци-онных связей, статистически распределен-

ных по объему материала в виде пространственной сетки, в узлах которой находятся частицы дисперсной фазы. При воздействии нагрузки ряд структурных связей оказывается в перенапряженном состоянии и разрушается, что приводит к необратимым деформациям и накоплению усталостных повреждений в асфальтобетоне.

Известны два проверенных метода определения остаточной деформации при испытании образцов асфальтобетона в режиме ползучести. Прямой метод измерения остаточной деформации после снятия нагрузки с образца, когда произойдет полное восстановление обратимой деформации упругого последействия. Косвенный метод вычисления остаточной деформации по скорости необратимого деформирования, которую определяют как тангенс угла наклона касательной к кривой ползучести на участке установившегося течения образца. Другие различного рода «колебательные» методы, применяемые в последнее время для характеристики деформационных особенностей таких систем, включая и их релаксационные свойства, не дают, однако, в простой количественной форме всех необходимых параметров, в основном характеризуя систему лишь качественно, хотя эта характеристика и может быть весьма ценной, например, для выяснения влияния температурных изменений [1].

Типичные реологические кривые (реограм-мы), характеризующие зависимость скорости необратимого деформирования битумных материалов от нагрузки, представлены на

рис. 1. Линейная зависимость 1 на рис. 1 соответствует вязкому течению ньютоновской жидкости и характеризует сдвиговое деформирование битумов, находящихся в жидком состоянии, как правило, при высоких температурах испытания [2]. Кривые (2 - 5) отражают основные виды неньютоновского течения структурированных битумных систем.

Рис. 1. Основные виды реологических кривых битумных систем

Реологическая кривая 3 описывает течение структурированных жидкостей. Она была получена при сдвиговом деформировании объемного битума и слабоструктурированных мастик в диапазоне положительных температур до 120 °С. В соответствии с кривой 3 битумное вяжущее принято характеризовать наибольшей ньютоновской вязкостью практически не разрушенной структуры ^о, динамическим пределом текучести Рк2 (по Бинга-му), наименьшей ньютоновской вязкостью предельно разрушенной структуры цт и эффективной вязкостью зависящей от градиента скорости сдвига и принимающей промежуточное значение между и

В случаях деформирования высокоструктурированных битумных систем обнаруживается степенная зависимость скорости течения от величины прикладываемых напряжений, представленная кривой 2, которая отражает

течение дисперсных систем с эффективной

*

вязкостью ^ , зависящей от величины касательного напряжения или от соответствующего градиента скорости сдвига во всем доступном диапазоне измерений.

Если же обратиться к исследованиям деформирования асфальтобетона при сдвиге, то

реологическая кривая скорости необратимого деформирования приобретает вид 5. Начало кривой 5 соответствует статическому пределу текучести Рк1 по Шведову. В отличие от теоретической кривой течения пластической жидкости 4 реологическая кривая 5 нелинейная, что установлено при испытании асфальтобетонов различными методами. В данном случае основным параметром является эффективная пластическая вязкость ^*пл, зависящая от принятых условий деформирования - нормального и касательного напряжения и градиента скорости сдвига.

Таким образом, необратимое деформирование асфальтобетона при любом напряженно-деформированном состоянии характеризуется нелинейной зависимостью между напряжением и равновесной скоростью ползучести. При снижении напряжения наблюдается нелинейное замедление скорости ползучести асфальтобетона, стремящейся в пределе к нулю. При напряжениях превышающих истинный предел текучести реологические кривые асфальтобетонов описываются эмпирическим степенным законом Освальда-Де Ви-лье.

Неньютоновская пластическая вязкость асфальтобетона является неинвариантной по отношению к действующим напряжениям и скоростям деформирования, что необходимо учитывать при оценке остаточной деформации дорожного покрытия.

Примечательно, что при растяжении асфальтобетона статический предел текучести обычно не обнаруживается, тогда как при сдвиге, и особенно в условиях объемно-напряженного сжатия, этот параметр вносит весомый вклад в накопление необратимых деформаций и глубину колеи в покрытии. Статический предел текучести при сдвиге в соответствии с законом Кулона пропорционален коэффициенту внутреннего трения, а пластическая вязкость соответствует сцеплению при сдвиге.

Результаты исследований

Испытания асфальтобетонов различных видов показывают, что статический предел текучести при сдвиге зависит от структуры минерального остова, а показатель сцепления обусловливается вязкостью асфальтового вяжущего вещества.

£ 0,95 о

0,85

ш 0,8 а-

0,7

........0947................0.937.............. 0,953

1 2 3

Номера участков покрытий из ЩМА

ЩМА Тип А

Тип Б Тип В

0,45

го

| 0,4 -

аГ

| 0,35

ч:

о

а 0,3 -с о

5

0,25 -

5 0,2 О

0,15

ТЩ7

Я

0,21 Ш

1 2 3

Номера участков покрытий из ЩМА

Тип В

Тип Б

Тип А

ЩМА

Рис. 2. Показатели сдвигоустойчивости ЩМА по сравнению со стандартными требованиями

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) по сравнению с плотными асфальтобетонами по ГОСТ 9128-97 характеризуется максимальной величиной внутреннего трения, достигаемой в результате повышенного содержания кубовидного щебня и исключения природного песка, и минимальным значением сцепления при сдвиге вследствие высокого содержания объемного битума в составе смеси (рис. 2).

В пределах действующих стандартных требований к характеристикам сдвигоустойчи-вости асфальтобетонов различных типов, указанных на рис. 2, устойчивость к колееоб-разованию можно целенаправленно регулировать. К основным показателям сдвиго-устойчивости асфальтобетона, влияющим на глубину колеи пластичности, относятся коэффициент внутреннего трения, пластическая вязкость, теплостойкость и коэффициент пластичности [3]. Эти реологические показатели определяются составом и структурой применяемого асфальтобетона и могут изменяться в широких пределах в зависимости от зернового состава и качества минеральных материалов, содержания и качества битума, применения полимерных и минеральных структурирующих добавок в смеси.

Ранее было показано, что показатель сцепления асфальтобетона при сдвиге можно повысить в 1,5 - 2 раза, если добавить в битум БНД 60/90 блоксополимер типа «стирол-бутадиен-стирол» в количестве от 3 до 5 % [5]. Если же применить полимерно-битумное вяжущее ПБВ 90 по ГОСТ Р52056-2003, приготовленное на основе битума БНД 60/90 с добавлением пластификатора И-40А, то показатель сцепления асфальтобетона при сдвиге снижается примерно на 10 %. Однако, в этом случае коэффициент пластичности т также

снижается на 10 - 15 %, а термоустойчивость (отношение показателей прочности при сжатии Я50/Я20) повышается в среднем на 20 %. Эти данные были получены в результате обобщения многочисленных результатов испытаний асфальтобетонных смесей, приготовленных как в лабораторных, так и в производственных условиях. Поэтому при разработке требований в Изменении № 2 ГОСТ 9128-97 было учтено, что более теплостойкие и менее пластичные асфальтобетоны на основе полимерно-битумных вяжущих в меньшей степени подвержены колееобразо-ванию в покрытии. Этот же принцип действует в отношении щебеночно-мастичных асфальтобетонов по ГОСТ 31015-2002, что подтверждают результаты их испытаний.

Исследования, проведенные в институте Ше-ленберга (Германия), показали сопоставимое влияние зернового состава минеральной части и добавки полимера на устойчивость к колееобразованию щебеночно-мастичного асфальтобетона. На рис. 3 приведены результаты испытаний образцов ЩМА колесным устройством при температуре 50 °С в соответствии с ЕК 12697-22 [4].

12 -1-:-:-:-

О 8.............. 1

о -;-;-;-

0 4000 8000 12000 16000

Циклы нагружения колесом

Рис. 3. Кривые колееобразования щебеночно-мастичных асфальтобетонов: 1 - ЩМА на битуме 50/70; 2 - ЩМА на ПБВ; 3 -ЩМА с повышенным внутренним трением на битуме 50/70

Тесты на колееобразование ЩМА показывают, что глубину колеи в образцах асфальтобетона можно снизить в 2,5 раза за счет добавления полимера в битум или же при изменении зернового состава минеральной части смеси в сторону большей жесткости при сдвиге. Интенсивность колееобразования зависит не только от реологических свойств, но и от напряженно-деформированного состояния асфальтобетона, толщины и темпе-ратурно-временных условий нагружения покрытия. При оценке устойчивости покрытий к колееобразованию следует учитывать возросшие расчетные нагрузки на ось и повышенное давление в шинах автомобилей. Большое значение имеет как расчетное суммарное число приложений нагрузки за срок службы дорожного покрытия, так и соответствующее суммарное время нагружения асфальтобетона, которое в первом приближении рекомендуется принимать по табл. 1.

Таблица 1 Условия нагружения асфальтобетона в покрытии

Характер автомобиль- Время нагружения в час

ного движения за расчетный срок

по покрытию службы покрытия

Очень легкое 1,3

Легкое 4,2

Среднее 12,9

Тяжелое 42,8

Очень тяжелое (с ча- 424

стыми заторами)

При наиболее неблагоприятном очень тяжелом характере автомобильного движения преимущества щебеночно-мастичных асфальтобетонов в обеспечении устойчивости к колееобразованию покрытий проявляются в наибольшей степени. Прогноз колееобразо-вания в покрытиях толщиной 6 см в условиях очень тяжелого автомобильного движения представлен на рис. 4. Из рисунка видно, что при хорошо организованном минеральном остове, обеспечивающем высокий коэффициент внутреннего трения, щебеночно-мастич-ный асфальтобетон даже в случае применения обычного битума является устойчивым к колееобразованию.

Заключение

Сдвигоустойчивость дорожных покрытий из ЩМА обеспечивается реологическими свойствами, зависящими от структуры минераль

\ Л. 1

VА.2 \

\М.1 \ \

А.З

- -fc—

0,92

0,93 0,94 0,95

Коэффициент внутреннего трения

0,96

Рис. 4. Зависимости глубины колеи пластичности от коэффициента внутреннего трения асфальтобетона в климатических условиях г. Астрахани (А) и г. Москвы (М): 1 - ЩМА-15 на битуме БНД 60/90; 2 - ЩМА-15 на ПБВ 90; 3 - ЩМА-15 на полимерно-битумном вяжущем без пластификатора

ного остова и вязкости применяемого битумного вяжущего. Технико-экономическая задача создания оптимальной структуры асфальтобетона должна решаться на основе комплексного учета основных факторов, влияющих на колееобразование дорожных покрытий.

Литература

1. Ребиндер П.А. Новые методы характери-

стики упруго-пластично-вязких свойств структурированных дисперсных систем и растворов высокополимеров/ Избранные труды. Физико-химическая механика. - М.: Наука, 1979. - С. 66 - 81.

2. Веденеев Б.В., Михайлов Н.В. Трубопро-

водный транспорт горячего битума. -М.: Госстройиздат, 1962. - 220 с.

3. СТП-007-97 Стандарт Корпорации «Транс-

строй» Метод испытания асфальтобетона на устойчивость к колееобразованию.

4. EN 12697-22:2003 Bituminous mixtures -

Test methods for hot mix asphalt - Part 22: Wheel tracking.

5. Кирюхин Г.Н., Юмашев В.М. Повышение

сдвигоустойчивости асфальтобетона добавками полимеров // Автомобильные дороги. - 1992. - № 7 - 8. - С. 12 - 14.

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

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.