CC BY
206
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.
