CC BY
33
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 691.16:665.775.635
ГАЛДИНА ВЕРА ДМИТРИЕВНА, канд. техн. наук, доцент, galdin_ns@sibadi. org
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
644080, г. Омск, пр. Мира, 5
ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ НА БИТУМАХ РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Определены температуры растрескивания асфальтобетонов, изготовленных на битумах различной структуры и происхождения. Установлена взаимосвязь между температурами растрескивания асфальтобетонов и показателями, характеризующими трещино-стойкость битумов.
Ключевые слова: битум, структура, асфальтобетон, трещиностойкость.
GALDINA, VERA DMITRIYEVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof., galdin_ns@sibadi. org
Siberian State Academy of Automobiles and Roads,
5 Mira Avenue, Omsk, 644000, Russia
CRACK RESISTANCE IN ASPHALT CONCRETE CONTAINING BITUMEN OF VARIOUS STRUCTURE AND ORIGIN
Temperatures of cracking the asphalt concrete containing the bitumen of various structure and origin have been defined. The interrelation between temperatures of cracking in asphalt concrete and the parameters characterising the crack resistance of bitumen have been determined.
Keywords: bitumen, structure, asphalt concrete, cracks resistance.
Переход асфальтобетона при снижении температуры от вязкоупругого к хрупкому состоянию является главной причиной образования на покрытиях температурных трещин, существенно снижающих долговечность дорожных покрытий [1-4]. В связи с этим определение температуры, при которой ас-
© В.Д. Галдина, 2010
фальтобетон переходит в хрупкое состояние, имеет важное практическое значение. Основным фактором, влияющим на трещиностойкость асфальтобетонных покрытий, является качество применяемых битумов [1, 5-7].
Для изучения взаимосвязи показателей трещиностойкости битумов и асфальтобетонов приняты битумы разной структуры и происхождения с близкой глубиной проникания иглы (П25) при 25 °С. Битумы со структурами, близкой к гелю, золь-гель и близкой к золю, получали окислением гудронов различной консистенции из западно-сибирской нефти. Битумы окисленные и остаточные со структурами золь-гель и близкой к золю получали из тяжелой западно-казахстанской нефти [8, 9].
Свойства и состав битумов приведены в табл. 1 и 2. Характеристиками низкотемпературных свойств битумов служили температура хрупкости по Фраасу Т® и температура растрескивания битумов Тр, определяемая по ме-
тодике БашНИИ НП [1].
Таблица 1
Свойства и состав битумов из западно-сибирской нефти
Структура битума
Показатель Близкая к гелю Золь-гель Близкая к золю Близкая к золю
Глубина проникания иглы: а) при 25 °С, 0,1 мм 82 86 83 84
б) при 0 °С, 0,1 мм 26 22 14 12
Температура, °С: размягчения 53 50 47 46
хрупкости по Фраасу -22 -18 -11 -6
растрескивания -46 -42 -39 -38
Растяжимость при 25 °С, см 16 65 82 100
Индекс пенетрации +0,9 +0,2 -0,6 -1,0
Содержание, % по массе: углеводороды: парафино-нафтеновые 22,9 17,0 15,8 13,0
ароматические 30,2 36,6 39,0 42,5
смолы 23,0 24,6 25,8 27,8
асфальтены 23,9 21,8 18,4 16,7
Марка битума - БНД 60/90 БН 60/90 БН 60/90
Для битумов со структурой, близкой к гелю, и золь-гель, а также жидкого битума характерны достаточно высокие показатели трещиностойкости. Трещиностойкость битумов со структурой, близкой к золю, значительно ниже. Причем битумы с одинаковой структурой (золь-гель и близкой к золю), полученные из разных нефтей, имеют практически равные показатели Тр
и значительно отличающиеся Т® , особенно у битумов со структурой, близкой
к золю. Это является следствием повышенного содержания в битумах из тяжелой западно-казахстанской нефти парафино-нафтеновых углеводородов (табл. 1 и 2).
Таблица 2
Свойства и состав битумов из западно-казахстанской нефти
Структурный тип битума
Показатель - Золь-гель Близкий к золю Близкий к золю
Глубина проникания иглы: а) при 25 °С, 0,1 мм Жидкий 87 84 77
б) при 0 °С, 0,1 мм 31 22 19
Температура, °С: размягчения 23 50 47 47
хрупкости по Фраасу -29 -21 -18 -17
растрескивания -48 -43 -38 -38
Растяжимость при 25 °С, см - 56 100 100
Индекс пенетрации - +0,25 -0,7 -0,94
Содержание, % по массе: углеводороды: парафино-нафтеновые 52,1 37,2 27,4 21,2
ароматические 17,3 16,8 29,7 40,0
смолы 11,0 22,5 28,8 27,0
асфальтены 19,6 23,5 14,1 11,8
Марка битума МГ 130/200 БНД 60/90 БНД 60/90 БН 60/90
С использованием указанных битумов были приготовлены асфальтобетоны с гранулометрией типа Г (по ГОСТ 9128) на известняковых минеральных материалах и содержанием 6,5 % по массе битумов.
Трещиностойкость асфальтобетонов оценивалась по температурам их растрескивания от температурных напряжений, возникающих при охлаждении асфальтобетонов. Температурные напряжения и температуры растрескивания асфальтобетонов определяли на автоматической установке для определения напряжений, деформаций и температур растрескивания материалов УОНДА 1420 [1]. Асфальтобетонные образцы, защемленные по концам, испытывали при скорости охлаждения 0,5 °С/мин с регистрацией температурных напряжений оТ, температур появления температурных напряжений Т^ и температур растрескивания асфальтобетонов Тр.
Из представленных на рис. 1 и 2 зависимостей следует, что структурные особенности битумов определяют низкотемпературные свойства асфальтобетонов.
При переходе структуры битумов от геля к золю Т1а и Тр асфальтобетонов смещаются в сторону более высоких значений, а интенсивность роста и величины <5Т возрастают.
Предельные температурные напряжения в асфальтобетонах на битумах разной структуры отличаются незначительно, но в асфальтобетонах на битумах из тяжелой западно-казахстанской нефти аТ несколько выше. Наиболее низкие
Тр имеют асфальтобетоны на битуме со структурой, близкой к гелю, и жидком
битуме. Температуры растрескивания асфальтобетонов на битумах со структу-
рой, близкой к золю, значительно выше, что обусловливает их меньшие показатели трещиностойкости. Асфальтобетоны на битумах со структурой золь-гель Тр имеют промежуточные значения температур растрескивания.
стт, МПа 5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0 -10 -20 -30 -40 Т, оС
Рис. 1. Зависимость температурных напряжений от температуры в асфальтобетонах на битумах из западно-сибирской нефти со структурами:
1 - близкой к гелю; 2 - золь-гель; 3 - близкой к золю
10 0 -10 -20 -30 -40 Т оС
Рис. 2. Зависимость температурных напряжений от температуры в асфальтобетонах на битумах из западно-казахстанской нефти:
1 - марки МГ 130/200; со структурами: 2 - золь-гель; 3 - близкой к золю окисленному; 4 - близкой к золю остаточному
Температура растрескивания асфальтобетона тем ниже, чем ниже температура появления температурных напряжений. Зависимости температурных напряжений аТ от температуры Т, появляющихся в асфальтобетоне при его охлаждении, описываются уравнениями регрессии, которые для асфальтобетонов на битумах со структурами, близкой к гелю, золь-гель и близкой к золю, из западно-сибирской нефти имеют соответственно следующий вид:
(1) (2) (3)
от = 0,0031 Т2 + 0,0037 Т - 0,0213, от = 0,0041 Т2 + 0,0012 Т - 0,0104, от = 0,0065 Т2 + 0,00134 Т - 0,0186,
где аТ - температурные напряжения, МПа; Т - температура, °С.
Для асфальтобетонов на битумах из западно-казахстанской нефти марки МГ 130/200, со структурами золь-гель марки БНД 60/90 и близкой к золю окисленному и остаточному марок БНД 60/90 и БН 60/90 получены зависимости температурных напряжений от температуры в виде следующих уравнений регрессии соответственно:
<зТ = 0,0023 Т2 + 0,00392 Т - 0,0089, (4)
(5)
(6) (7)
Т
ОТ
= 0,007 Т2 + 0,0956 Т - 0,1984,
от = 0,0033 Т2 + 0,0748 Т - 0,2748, = 0,0037 Т2 + 0,00793 Т - 0,3673.
О
Представляло значительный интерес установление взаимосвязи между температурой растрескивания асфальтобетонов Тр и показателями, характе-
ризующими трещиностойкость, - температурой растрескивания Тр и температурой хрупкости по Фраасу Т®, и структуру битумов (рис. 3, 4).
Тра, ос
-20
-25
-30
-35
-40
11/ ^3 / /
/ ■/ Л/\
/ / / /■/
4 г / / /
-55
-45
-35
-25
-15
-5
Т, ос
Рис. 3. Зависимость температуры растрескивания асфальтобетонов от температуры растрескивания (1 и 3) и температуры хрупкости битумов (2 и 4) из западносибирской (♦ - 1 и ■ - 2) и западно-казахстанской (▲ - 3 и • - 4) нефтей
Как следует из рис. 3, температуры растрескивания асфальтобетонов Гр при одинаковых значениях температур растрескивания Гр битумов различного происхождения в интервале температур от -37 до -45 °С имеют близкие значения. При равных показателях Г® битумов Гр асфальтобетонов различаются в большей степени. Так, при одинаковом составе минеральной части и расходе битума Гр асфальтобетонов на битумах из западно-сибирской нефти на 5 °С ниже, чем Гр асфальтобетонов на битумах из западноказахстанской нефти.
Температуры растрескивания асфальтобетонов понижаются (рис. 4) при повышении индекса пенетрации битума. При этом в исследованном интервале ИП изменение Тр асфальтобетонов практически не зависит от происхождения битумов.
Рис. 4. Зависимость температуры растрескивания асфальтобетона от индекса пенетрации битумов из западно-сибирской (-------------) и западно-казахстанской (------) нефтей
Зависимости, отражающие взаимосвязь между Гр асфальтобетонов и показателями трещиностойкости (Гр и Г®) и структуры ИП битумов из западно-сибирской и западно-казахстанской нефтей, описываются уравнениями регрессии (8) - (10) и (11) - (13) соответственно:
-б , ,1 (8)
(9)
7,3807 ИП - 30,423; (10)
Гра = 1,7161 Грб + 41,29; Гра = 0,8776 Г® + 16,776;
т-та
р
Гра = 1,129 Грб + 16,242; Гра = 0,9076 Гхр + 11,25;
Га
5,625 ИП - 31,031.
(11)
(12)
(13)
р
Индекс пенетрации битумов (ИП) характеризует температурную чувствительность вязкости битумов в интервале температур от 25 °С до температуры размягчения. Низкотемпературный индекс пенетрации (ИПн) - отношение значений пенетрации при 0 и 25 °С (П0/П25) - позволяет более четко проиллюстрировать температурную чувствительность вязкости битумов при более низких температурах - от 25 до 0 °С [1].
На рис. 5 представлены зависимости температур растрескивания асфальтобетонов Тр и температур растрескивания самих битумов Тр от низкотемпературного индекса пенетрации (ИПн).
ИПн
Рис. 5. Зависимость температур растрескивания битумов (------) и асфальтобетонов (-----)
от низкотемпературного индекса пенетрации битумов из западно-сибирской (• - 1) и западно-казахстанской (▲ - 2) нефтей
При одинаковом значении пенетрации П25 битумов, примерно равной 80-0,1 мм, с повышением ИПн структура битумов меняется от золя к гелю. Изменение структуры битума сопровождается понижением Трби Тр . Выявленная связь между температурами растрескивания битумов
и асфальтобетонов и ИПн битумов описывается следующими уравнениями регрессии.
Для битумов из западно-сибирской нефти:
Тр = - 43,655 ИПн - 31,635, Тра = - 76,709 ИПн - 12,605.
Для битумов из западно-казахстанской нефти: Трб = - 48,467 ИПн - 25,692, Т! = - 54,388 ИПн - 12,651.
(14)
(15)
(16) (17)
О
р
При одинаковой величине ИПн температура растрескивания Тр битумов из западно-сибирской нефти на 4-5 °С ниже Тр битумов из западноказахстанской нефти. Температуры растрескивания асфальтобетонов на битумах из западно-сибирской нефти также на 3-6 °С ниже, чем Тр на битумах из
западно-казахстанской нефти.
Разница между Тр битумов из западно-сибирской нефти и Тр асфальтобетонов на таких битумах составляет 9-15 °С. Она увеличивается при понижении низкотемпературного индекса пенетрации. Аналогичные показатели трещиностойкости битумов Тр из западно-казхстанской нефти и асфальтобетонов Тр на их основе отличаются на 11-12 °С.
Такое различие между Тр и Тр в зависимости от природы нефти, из которой были получены битумы, объясняется влиянием адсорбционных процессов на структуру и свойства битумных пленок в асфальтобетоне.
Известно, что свойства структурированного битума, находящегося на поверхности минеральных материалов, отличаются от свойств объемного битума. Степень влияния поверхности минерального материала на свойства битума зависит от его природы и структуры битума [1, 7]. Поэтому температура растрескивания битумов, определенная на стеклянных малоактивных поверхностях по методу БашНИИ НП, отличается от температуры растрескивания битумов в асфальтобетоне. Тем не менее структурированные битумные пленки сохраняют присущие каждому структурному типу свойства.
Приведенные на рис. 1-5 данные иллюстрируют принципиальную тенденцию влияния показателей трещиностойкости и структуры битумов на температуру растрескивания асфальтобетонов, поскольку абсолютные значения Тр зависят от состава асфальтобетонной смеси, качества компонентов, входящих в ее состав, температурно-временных условий определения.
Выводы
Выполненные исследования показали, что между низкотемпературными свойствами битумов и асфальтобетонов существуют функциональные зависимости, которые определяются полученными уравнениями (8) - (17). Уравнения регрессии позволяют прогнозировать температуру растрескивания асфальтобетона по стандартным и нестандартным показателям трещиностойко-сти битумов. Сравнительно высокое содержание парафино-нафтеновых углеводородов в битумах со структурами, близкой к гелю и золь-гель, обеспечивает таким битумам низкие температуры хрупкости и растрескивания, что приводит, в свою очередь, к повышению температурной трещиностойкости асфальтобетонов.
Библиографический список
1. Печеный, Б.Г. Битумы и битумные композиции / Б.Г. Печеный. - М. : Химия,
1990. - 256 с.
2. Руденский, А.В. Реологические свойства битумоминеральных материалов /А.В. Руден-ский, И.М. Руденская. - М. : Высшая школа, 1971. - 133 с.
3. Прочность и долговечность асфальтобетона / под ред. Б.И. Ладыгина. - Минск : Наука и техника, 1972. - 288 с.
4. Губач Л.С. К вопросу оценки трещиноустойчивости асфальтобетона в дорожном покрытии / Л.С. Губач, В.А. Хрущев, Г.Б. Старков // Повышение качества дорожных и строительных материалов из отходов промышленности: сб. науч. тр. - Омск : СибАДИ, 1995. - С. 33-42.
5. Золотарев, В.А. Долговечность дорожных асфальтобетонов / В.А. Золотарев. - Харьков : Высшая школа, 1977. - 114 с.
6. Железко, Е.П. Повышение трещиностойкости асфальтобетонов / Е.П. Железко // Известия вузов. Строительство. - 1991. - № 10. - С. 67-71.
7. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. - М. : Транспорт, 1973. - 264 с.
8. Галдина, В.Д. Эксплуатационные свойства битумов различных структурных типов из западно-сибирской нефти / В.Д. Галдина // Сб. докл. ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. - М. : МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 51-56.
9. Калинюк, Л.М. Свойства битумов из западно-казахстанских нефтей / Л.М. Калинюк, В. Д. Галдина // Проблемы глубокой переработки остатков сернистых и высокосернистых нефтей и сернистых газовых конденсатов: тезисы докл. V Республиканской конференции. - Уфа : БашНИИ НП, 1984. - С. 5-6.
