CC BY
14
УЧЕТ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АСФАЛЬТОБЕТОНА ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
С.П. Санников, канд. техн. наук, доцент Е.А. Штриккер, магистрант Тюменский индустриальный университет (Россия, г. Тюмень)
Аннотация. В статье рассматриваются основные факторы, негативно влияющие на состояние дорожных полотен. Установлено, что в целях улучшения качественных характеристик дорожных одежд используются модифицированные добавки. Проанализировано влияние применения различных добавок на свойства асфальтобетона. По результатам исследования сформулированы выводы.
Ключевые слова: дорожные одежды, асфальтобетон, битум, органические вяжущие, эластомеры, термопласты, масла, резиновые добавки, упругость конструкции, пластические деформации.
В последние годы произошли кардинальные изменения в сфере дорожно-транспортной инфраструктуры: значительно увеличился транспортный поток, что оказало непосредственное воздействие на усиление осевых и скоростных нагрузок на дорожное полотно. В таких условиях дорожное покрытие перестало отвечать требованиям современной действительности и стало разрушаться заметно быстрее. Так, по результатам диагностики транс-портно-эксплуатационного состояния, доля федеральных и региональных трасс, которые не соответствуют нормативным требованиям, составляет 60,1% и 70% соответственно, при этом 56% федеральных автомобильных дорог имеют неудовлетворительную прочность, а 37% характеризуются неудовлетворительным состояние ровности покрытия. Безусловно, это требует принятия оперативных мер, что, в свою очередь, повышает актуальность настоящего исследования.
Дорожные одежды, в том числе из асфальтобетона, являются одним из основных элементов дороги. При неправильной эксплуатации и повышенных физических нагрузках они быстрее изнашиваются, что непосредственно влияет на срок полезного использования и, как следствие, увеличение затрат. При этом среди главных причин плохого состояния верхнего слоя дороги, можно назвать следующие [ 1]:
- климатические и грунтовые условия;
- несоответствие выпускаемых битумов нормативным требованиям;
- недостаточное уплотнение;
- отсутствие качественных местных материалов и т.д.
Важное влияние на качественные характеристики дорожной одежды оказывают вяжущие, используемые в составе асфальтобетонной смеси, а именно технические свойства битума. Необходимо отметить, что в современных условиях специалисты стремятся улучшить свойства битума посредством его модифицирования разнообразными добавками. Так, в дорожном строительстве распространены следующие добавки [2]:
- эластомеры - обладают низкой исходной жесткостью, хорошими низкотемпературными свойствами без эффектов растрескивания, способностью устранять микротрещины; в то же время показывают высокую степень износа дорожного покрытия;
- термопласты - обладают более высокой жесткостью по сравнению с исходной, но худшими низкотемпературными свойствами;
- масла - понижают вязкость, увеличивают сопротивление износу;
- резиновые добавки - позволяют улучшать эксплуатационные характеристики, увеличивают срок службы асфальтобетонного покрытия, сокращают стоимость эксплуатации автомобильной дороги.
Далее целесообразно рассмотреть несколько видов модифицирующих добавок и определить, каким образом они влияют на свойства битума и на асфальтобетонное покрытие.
Таблица 1. Сравнительная характеристика модифицирующих добавок БДН 60/90 и БДН 90/130_
Название добавки
Наименование показателей БНД 60/90 БНД 90/130
С добавкой Унирем
Без добавки Без добавки С добавкой Битрэк
Глубина проникания иглы, 0,1мм: при 25°С, не менее 61-90 60-90 91-130 91-130
при 0 °С, не менее 20 20 28 25
Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже 47 52 43 50
Растяжимость, см, не менее:
при 25 °С 55 12 65 14
при 0 °С 3,5 5 4 7
Температура хрупкости, °С, не выше -15 -30 -17 -24
Изменение температуры размягчения 5 5 5 5
после прогрева °С, не более
В качестве вариантов добавок были выбраны битуморезиновая добавка Битрэк и добавка Унирем-001 на основе активного резинового порошка. Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что исследуемые добавки при введении в битум увеличивают его вязкость, снижают растяжимость при 25 °С, понижают температуру хрупкости, влияют на температуру размягчения. При таких показателях битум переходит в пластичное состояние при более высокой температуре, то есть оказывает структурирующие действия.
Напряжения в дорожных одежд нежесткого типа будут меньше, если
использовать в конструкции материалы с меньшим модулем упругости. То есть, чем меньше напряжения в асфальтобетоне, тем выше срок службы дорожных одежд.
На рисунке 1 отражено, что модуль упругости модифифцированого
асфальтобетона ниже, чем асфальтобетона на нормативных марках органического вяжущего. Это связано с тем, что применения модифицирующих вяжущих в составе асфальтобетона способствует повышению деформативности
асфальтобетона.
6000 -
id
ш 5000 -
к
4000 -
о
3 000 -
к
рэ 2000
1000 -
S
90/130
60/90+ Унирем Вяжущий материала
90/130+ Битрэк
Рис. 1. Модули упругости различных видов асфальтобетона
60/90
Далее целесообразно рассчитать несколько вариантов конструкций дорожных одежд с разными слоями верхнего покрытия по критерию допустимого упругого прогиба и сопротивлению при изгибе. По результатам расчета, проведенного в
программе IndorPavement, удалось построить диаграмму зависимости общего модуля упругости конструкции от марки используемого вяжущего вещества (рис. 2).
450 400
п
>Я Я
a
■о D
350 300
250
W я я а
* 200 g 150
100 50
405/1,767
/1,647
399/1,738
60/90 уНЦРем 90/130
Вяжущий материал
366/1,596
90/130+ Битрэк
1,98 1,76 1,54 1,32 1,10 0,88 0,66 0,44
О Vg CP я Я fa
со tH
Н
я &
(D Я
Я Sy
а
я
0,22
Рис. 2. Зависимость общего модуля упругости конструкции от марки используемого
вяжущего вещества
Как свидетельствуют данные рисунка 2 общий модуль упругости конструкций дорожных одежд с применением модифицированных добавок Битрэк и Унирем ниже, чем в конструкциях с применением стандартных марок битума БНД 60/90 и БНД 90/130. Это объясняется тем, что модифицирующий асфальтобетон ослабляет прочность дорожной одежды, поскольку добавки меняют вязкость битума и они пере-
ходят в более пластическое состояние. Помимо этого, применение добавки Битрэк не оказывает существенного влияние на изменение прочностных показателей на изгиб по сравнению с исходной марки битума БНД 90/130. Это продемонстрировано на рисунке 3. а при добавлении в битум БНД 60/90 добавки Унирем, прочность на изгиб заметно снижается.
cd S И ^ 1,06
Й S2 CO ^ H cd 1,05
DC M
& ® Я о 1,04
К о 1,03
СО о о & 1,02
1,01
1 ,062 1
1,050 1,050
1 OOfS
60/90
60/90+ Унирем
90/130+ Битрэк
90/130 Вяжущий материал
Рис. 3. Влияние добавок на изменение прочностных показателей на изгиб
Таким образом, можно сделать вывод, что модифицированные добавки снижают прочностные показатели дорожных одежд, в том числе общий модуль упругости и прочность на изгиб. Однако их величины обеспечивают требуемую прочность в рамках установленного уровня надежности степени капитальности.
Необходимо отметить, что основным направлением увеличения срока службы дорожных одежд из асфальтобетонных смесей является использование исходных высококачественных материалов. При этом для улучшения свойств могут использовать различные модификации би-
тумов и асфальтобетона различными добавками, применять битумы с оптимальным групповым составом и т.д.
В рамках настоящего исследования целесообразно рассмотреть ГП «Белдор-НИИ», который активно применяется в дорожном хозяйстве Свердловской области. Данный метод проектирования состава асфальтобетона с оптимизацией по показателю «расчетный срок службы» основан на определении оптимального расчетного срока службы асфальтобетона по критериям устойчивости к пластическим деформациям при нормальных условиях эксплуатации и содержания. В данном случае
расчетный срок службы Тп по следующей формуле:
определяют
Тпласт = (Кусл * Н кр) / (Н ! * И расч * Т5 0), (1)
где Кусл - коэффициент условий движения; для стесненных условий движения (мосты, путепроводы, тоннели) принимают 1,0, в остальных случаях - 1,3; Н кр -критическая деформация (допустимая глубина колеи); для расчетов принимают 0,01 м; - величина пластической деформации (глубина колеи), м, после одного цикла воздействия колесной нагрузки при температуре 50 оС; Ирасч- интенсивность движения по полосе расчетных автомобилей авт./ч; определяют по результатам наблюдений за конкретным участком автомобильной дороги; - количество часов в году с температурой покрытия 50 оС и выше, ч/год; определяют по данным метеостанций в каждом конкретном регионе; при отсутствии данных принимают 190 ч/год.
Пластическую деформацию асфальтобетона после одного цикла нагружения Н1, м, определяют по формуле:
Н, =
ft2-fti W2- JVi'
(2)
где - минимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 4000; - максимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 10 000; - деформация образца после минимального количества циклов нагружений, мм; Л2 - дефор-
мация образца после максимального количества циклов нагружений, мм.
Поскольку на практике отсутствует возможность определить пластическую деформацию лабораторным путем, целесообразно воспользоваться «расчетом и прогнозированием остаточных деформаций в слоях асфальтобетона и других би-тумосодержащих слоях».
Пластическая или остаточная деформация - часть полной деформации, остающаяся в образце после приложения к нему нагрузки в точно установленный интервал времени. Расчетное значение остаточной деформации в битумосодержащих слоях вычисляют по формуле:
h5kp = * Kv * Кв
(3)
где - исходная остаточная деформация, м; - поправка на фактический коэффициент вязкого сопротивления 17 ф, назначаемая по таблице 3.3; ы п - коэффициент, учитывающий выпор асфальтобетона по краям колеи, в среднем можно принять 1,3.
Определение средней величины глубины колеи нужно рассчитать только для асфальтобетонных слоев:
Йобщt - hkp * Кп
(4)
Была рассчитана остаточная деформация для нескольких вариантов горячего плотного асфальтобетона типа Б марки 1 с использованием различных вяжущих. Общие результаты расчета представлены в таблице 2.
Таблица 2. Показатели срока службы асфальтобетона по критерию устойчивости к пластическим деформациям_
№ п/п Тип смеси Коэффициент вязкого сопротивления, 7 ф, МПа*с Пластическая деформация, Н1, м Срок службы, ТСл, лет
1 БНД 60/90 100 0,000000265 1,52
2 БНД 90/130 60 0,000000468 0,88
3 БНД 90/130+Битрэк 300 0,000000088 4,57
4 БДУС 70/100 170 0,000000161 2,5
5 БНД 60/90+Унирем 280 0,000000095 4,24
Аналитические данные таблицы наглядно показывают, что использование модифицированных асфальтобетонов продлевает срок службы дорожных одежд. Модифицированный асфальтобетон Бит-рэк позволяет увеличить срок службы до 4,57 лет, а добавка Унирем продлевает срок до 4,24 лет. Так как, в расчете основополагающим показателем является фактический коэффициент вязкого сопротивления, можно сделать вывод о том, что чем выше вязкость у исходного материала, тем
В целом, можно констатировать, что модифицированный асфальтобетон обладает определенными преимуществами, среди которых целесообразно выделить повышение адгезии, вязкости и растяжимости; устойчивость к высоким и низким температурам; стойкость к образованию колеи и трещинообразованию; увеличение срока службы; сокращение затраты на эксплуатацию и ремонт; снижение уровня шума; улучшение сцепления колес с покрытием.
выше срок службы дорожного покрытия.
Библиографический список
1. Евтюков Т.А. Влияние факторов на сцепные качества покрытий автомобильных дорог // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №3. - С. 97.
2. Пухаренко Ю.В. Наномодифицированные добавки в бетоны для транспортного строительства / Ю.В. Пухаренко, В.Д. Староверов, Д.И. Рыжов // Транспорт Российской Федерации. - 2014. - №5(54). - С. 26-30.
3. ТР 103-00. Технические рекомендации по устройству дорожных конструкций с применением асфальтобетона (утв. Управлением экономической научно-технической и промышленной политики в строительной отрасли 03.04.2000). - М.: НИИМосстрой, 2000.
CONSIDERATION OF THE PROPERTIES OF THE ORGANIC BINDERS IN THE DESIGN OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENTS
S.P. Sannikov, candidate of technical sciences, associate professor E.A. Stricker, graduate student Tyumen industrial university (Russia, Tyumen)
Abstract. The article examines the main factors that negatively affect the condition of the road paintings. It is established that in order to improve the quality characteristics of pavement used modified additives. Analyzed the effect of various additives on properties of asphalt concrete. According to the study conclusions.
Keywords: pavement, asphalt, bitumen, organic binders, elastomers, thermoplastics, oil, rubber additive, the elasticity of the structure, plastic deformation.
