CC BY
89
УДК 620.179.5;625.062
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД, НА ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ*
С.В. Ефремов, научн. сотр., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрено воздействие агрессивных сред на интенсивность процессов разрушения асфальтобетонных образцов с различной степенью уплотнения при испытании на растяжение при изгибе для определения долговременной прочности.
Ключевые слова: битум, каменный материал, асфальтобетонные балочки, уплотнение, агрессивные среды, долговременная прочность.
Введение
Нежёсткие покрытия автомобильных дорог подвергаются механическому воздействию, ежегодно возрастающему прямо пропорционально росту грузоподъемности новых автомобилей, создаваемых для удовлетворения потребностей возрастающего грузооборота. Но вместе с этим возрастает интенсивность воздействия различных агрессивных сред. В этих условиях высокую долговременную прочность асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог наряду с другими факторами может обеспечить его оптимальная плотность.
Анализ публикаций
В монографии [1] отмечалось, что недостаточная плотность и повышенная пористость, как результат недоуплотнения, приводят к интенсивному снижению устойчивости покрытия вследствие свободного доступа жидких сред к местам дефектов структуры. Но вместе с тем, как отмечалось в работе [2], отслаивающая способность агрессивных растворов в некоторых случаях значительно превышает отслаивающую способность дистиллированной воды, моделирующей дождевую или талую воду. В частности, этому способствует недостаточное уплотнение асфальтобетонной смеси. Эта ситуация требует ужесточения существующих нормативных
требований к асфальтобетону, использующемуся в покрытии автомобильных дорог. Так как в действующих стандартах на методы испытаний асфальтобетона и его технических условий, кроме определения его длительной водоустойчивости, не предусмотрены испытания, учитывающие коррозионное влияние агрессивных сред на его долговременную прочность.
Цель и постановка задачи
Один из аспектов этой проблемы - влияние степени уплотнения асфальтобетона, работающего в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и агрессивных сред, на его долговечность. Для изучения влияния агрессивных сред на долговечность асфальтобетонов с различным уплотнением были приняты для испытаний смеси типа А и Б, приготовленные с использованием битумов БНД 40/60 и БНД 200/300. Марки битума были выбраны на основании испытаний, показавших, как высокую, так и низкую устойчивость под воздействием агрессивных сред соответственно. Количество вяжущего было выбрано на основании определения оптимального содержания вяжущего в смеси по максимальным прочностным характеристикам асфальтобетонов (табл. 2), в которых количество битума составляло: для типа А на БНД 200/300 - 3,0 %; для типа Б на БНД 40/60 - 5,0 %; на БНД 200/300 - 3,5 %.
* Работа выполнена под руководством д. т. н., проф. Золотарёва В. А.
типов А и Б
"сЗ а « Т Наименование остатков Содержание по массе, % минеральных зёрен, крупнее данного размера, мм
10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071 <0,071
А а и Т полные 10,0 55,0 68,0 78,0 80,0 87,5 91,0 93,8 100
Требования ДСТУ Б В.2.7-119 0 т 0 45-55 57-71 65-79 73-87 80-91 85-93 88-94 100
Б а « Т полные 10,0 40,0 52,0 67,0 70,0 82,5 87,5 92,0 100
Требования ДСТУ Б В.2.7-119 0 т 0 35-45 47-57 57-67 67-77 75-84 82-89 86-92 100
Количество зёрен известнякового минерального порошка размером мельче 0,071 мм, определённое методом подбора оптимального гранулометрического состава минеральной смеси, составляло: для типа А - 6,2 %; для типа Б - 8,0 %. Гранулометрические составы исследуемых горячих асфальтобетонных смесей представлены в табл. 1.
Для определения, предусмотренных требованиями ДСТУ Б В.2.7-119-2003, физико-механических свойств асфальтобетонных смесей типа А и Б с различным содержанием вяжущего были изготовлены и испытаны цилиндрические асфальтобетонные образцы, уплотнённые при нормативном давлении 30 МПа.
Испытания проводились в соответствии с требованиями ДСТУ Б В.2.7-89-99. Результаты нормативных испытаний по определению оптимального содержания битума представлены в табл. 2. На основании результатов определения оптимального количества вяжу-
щего были приняты рабочие асфальтобетонные смеси с содержанием битумов марок: для типа А - БНД 200/300 = 3,0 %; для типа Б - БНД 200/300 = 3,5 %; для типа «Б» -БНД 40/60 = 5,0 %, из которых были изготовлены и испытаны асфальтобетонные образцы с различной степенью уплотнения. Результаты определения физико-механических свойств асфальтобетонов типа А и Б с различной степенью уплотнения представлены в табл. 3.
Из результатов нормативных испытаний следует, что качественный гранулометрический подбор и оптимальное содержание вяжущего обеспечивают высокие прочностные показатели и другие нормативные требования при нормативном режиме уплотнения. При этом большое водонасыщение у недоуплотнённых образцов может обеспечить боль-шее проникание жидких агрессивных сред в структуру асфальтобетона, что необходимо при исследованиях коррозионного влияния агрессивных сред на его долговременную прочность.
Таблица 2 Определение оптимального количества битума
Тип асфальтобетонной смеси Вяжущее Средняя плотность, кг/м3 Водонасы-щение, % Набухание, % Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре, °С: К в
Марка Содержание, %
20 50
А БНД 200/300 2,5 2304 5,5 0,3 3,59 1,88 0,86
3,0 2311 3,7 0,2 4,41 2,12 0,87
3,5 2308 1,4 0,1 4,32 1,97 0,88
Б 3,0 2307 5,0 0,2 4,01 1,98 0,86
3,5 2315 3,2 0,2 4,90 2,35 0,87
4,0 2310 1,1 0,1 4,76 2,15 0,88
4,5 2338 5,1 0,2 6,77 3,29 0,91
5,0 2344 2,9 0,1 8,33 3,96 0,92
5,5 2341 0,4 0 8,04 2,98 0,93
с различными марками вяжущего при различных режимах уплотнения
Тип асфальтобетонной смеси Вяжущее Режим уплотнения, МПа Средняя плотность, кг/м3 Водонасыщение, % Набухание, % Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре, °С: K в к в5
Марка Содержание, %
0 20 50
А БНД 200/300 3,0 10 2216 7,5 0,6 3,69 2,44 1,21 0,79 0,72
30 2311 3,7 0,2 6,65 4,41 2,12 0,87 0,81
Б БНД 200/300 3,5 10 2242 7,2 0,5 5,10 3,38 1,61 0,80 0,74
30 2315 3,2 0,2 7,40 4,90 2,35 0,87 0,82
БНД 40/60 5,0 10 2258 6,6 0,5 7,06 4,72 2,24 0,83 0,77
30 2344 2,9 0,1 12,51 8,33 3,96 0,92 0,86
Как и в случае с недостаточным содержанием вяжущего, по сравнению с оптимальным [3, 4], большое водонасыщение позволило определить интенсивность воздействия агрессивных сред на асфальтобетон и его долговременную прочность.
Результаты экспериментальных исследований
Из трёх асфальтобетонных смесей с оптимальным содержанием битума изготавливались балочки с размерами 4x4x16 см. Изготовление образцов производилось при нормативном уплотняющем давлении 30 МПа и не нормативном 10 МПа.
Испытания асфальтобетонных балочек на долговременную прочность при изгибе производились на оригинальной установке, разработанной и созданной на кафедре ТДСМ ХНАДУ. Проведение испытаний осуществлялось при постоянной температуре воздействия агрессивных сред на образцы от начала нагружения до их разрушения, в одном случае при 21 °С, в другом при 0 °С. Для исследований были приняты рабочие среды: воздух; дистиллированная вода; 5%-ый водный раствор NaCl; 2%-ый водный раствор HCl;
2%-ый водный раствор H2SO4 и в качестве примера физически активной среды, обладающей высокими проникающими свойствами - 0,05 % водный раствор неионогенного
ПАВ ОП-10. Нагрузки, прикладываемые к испытываемым на изгиб образцам-балочкам, обеспечивали ряд напряжений: 0,19; 0,25;
0,38; 0,50; 0,75; 1,00; 1,51; 2,01 и 2,51 МПа. Характеристикой коррозионного влияния агрессивных сред на асфальтобетон являлась логарифмическая зависимость долговременной прочности асфальтобетона от напряжения. Долговременная прочность исследованных асфальтобетонных балочек характе-ри-зовалась интервалом времени в секундах от начала приложения нагрузки до разрушения образца. Её условно называют «временем жизни образца». Значения долговременной прочности определялись как среднее арифметическое значение испытаний трёх образцов.
Построенные в логарифмических координатах зависимости (рис. 1; 2; 3 и 4) долговременной прочности асфальтобетонов типов А и Б, уплотнённых при 10 МПа и 30 МПа, и испытанных на воздухе и в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10, являются практически линейными и располагаются параллельно друг другу. Зависимости долговременной прочности от напряжения при испытаниях асфальтобетонных балочек, уплотнённых при 30 МПа, для всех типов асфальтобетонов и с разными марками вяжущего и при разных температурах, на воздухе, а также и в средах являются линейными и располагаются значительно выше значений для балочек, уплотнённых при 10 МПа.
Такое расположение зависимостей свидетельствует о том, что недоуплотнение, при равных остальных условиях, понижает долговременную прочность, что подтверждают результаты испытаний, приведенные в табл. 3. Графики зависимостей долговечно-
сти асфальтобетонных балочек, испытанных в остальных средах, подобны графику испытаний в растворе ПАВ и сохраняют описанные для него тенденции, что также наглядно демонстрируется результатами, представленными в табл. 4.
¡и
и
(Я
я
м
Я
&
ю
о
8
=
м
8
=
и
2
и
&
со
м
-0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2
lg Напряжения, МПа
-0,1
0,1
0
Рис. 1. Логарифмическая зависимость долговременной прочности асфальтобетона типа А с 3 % битума БНД 200/300 от напряжения: уплотнённого при 10 МПа □ - при испытаниях на воздухе; □ - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10; и уплотнённого при 30 МПа ♦ - при испытаниях на воздухе; Ш - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10 (температура испытаний 21 °С)
¡4
8
(Я
я
ю
о
8
Я
5 3
6 со
м
^ Напряжения, МПа
Рис. 2. Логарифмическая зависимость долговременной прочности асфальтобетона типа Б с 3,5 % битума БНД 200/300 от напряжения: уплотнённого при 10 МПа □ - при испытаниях на воздухе; □ - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10; и уплотнённого при 30 МПа ♦ - при испытаниях на воздухе; Ш - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10 (температура испытаний 21 °С)
БНД 200/300 и типа Б на марке БНД 40/60, уплотнённых при 10 МПа и 30 МПа (температура испытаний 21 °С)
Тип асфальтобетона Битум Долговечность при напряжениях (МПа) в различных агрессивных средах, сек
Марка CD S я й а и ч о О Воздух Дистилли- рованная вода 5 % водный раствор NaCl 2 % водный раствор HCl 2 % водный раствор H2SO4 0,05 % водный раствор ПАВ
0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00
А БНД 200/300 3,0 10 367 10 270 8 252 7 246 7 238 7 214 6
30 2075 47 907 19 632 14 434 11 387 10 292 8
Б БНД 200/300 3,5 10 1,6-103 44 1,2-103 27 1,0-103 26 0,7-103 17 0,7-103 16 0,6-103 12
30 3,9-103 82 2,3-103 52 2,1 -103 49 1,2-103 28 1,1-103 26 0,9-103 20
БНД 40/60 5,0 10 9,8-103 214 7,1 -103 159 6,0-103 138 4,0-103 91 4,0-103 90 3,2-103 67
30 459-103 10-103 373-103 8-103 350-103 7-103 317-103 6-103 279-103 6-103 258-103 5-103
Влияние степени недоуплотнения асфальтобетона типа А, приготовленного с использованием битума БНД 200/300, на его долговременную прочность соизмеримо с интенсивностью воздействия агрессивных сред на долговременную прочность этого же асфальтобетона, что наглядно демонстрируется графиком (рис. 1). Так, падение долговременной прочности асфальтобетона типа А, испытанного на воздухе при изгибающем напряжении 0,50 МПа, из-за недоуплотнения составило 5,7 раза, а аналогичное падение из-за воздействия 0,05 % водного раствора ПАВ 0П-10 составило 7,1 раза (табл. 4). Но падение долговременной прочности этого асфальтобетона в недоуплотнённом состоянии из-за воздействия того же ПАВ 0П-10 составило всего лишь 1,7 раза, что свидетельствует об очень невысокой долговременной прочности недоуплотнённого асфальтобетона, на который не успевает воздействовать в полной мере агрессивная среда.
Наибольшее влияние самого агрессивно-активного 0,05 % водного раствора неионогенного ПАВ 0П-10 на долговременную прочность асфальтобетонов, уплотнённых при нормативном и ненормативном давлении, явно заметно при сравнительном анализе результатов, представленных в табл. 4 для других агрессивных сред. Самая большая разница между результатами долговременной прочности асфальтобетона типа А с 3,0 % битума БНД 200/300, испытанного на воздухе и в ПАВ, по сравнению с испытаниями на воздухе и в 5 % водном растворе NaCl, на воздухе и в 2 % водном растворе HCl, на воздухе и
в 2 % водном растворе H2SO4, а тем более на воздухе и в дистиллированной воде, свидетельствует в пользу этой характерной особенности.
Расстояние между линиями логарифмических зависимостей долговременной прочности асфальтобетона типа А с 3,0 % битума БНД 200/300, испытанного на воздухе и в различных агрессивных средах, принятых к испытанию, изменяется в соответствии с увеличением или уменьшением их коррозионной активности. Эта коррозионная активность проявляется тем интенсивнее, чем больше долговременная прочность выше указанного асфальтобетона, а соответственно чем дольше время её влияния. А так как долговременная прочность асфальтобетона, уплотнённого при нормативном давлении 30 МПа, больше долговременной прочности недоуплотнённого асфальтобетона этого же типа и с тем же содержанием вяжущего, то в первом случае эта активность проявляется интенсивней, чем во втором.
С уменьшением содержания щебёночной фракции в гранулометрическом составе асфальтобетона увеличивается его долговременная прочность, как в норматив-но-уплот-нённом, так и в недоуплотнённом состоянии.
В отличие от типа А асфальтобетон типа Б на том же битуме оказывается более стойким к воздействию агрессивных сред. Аналогичное снижение значения долговременной прочности от воздействия 0,05 % водного раствора
ПАВ ОП-10 составило 4,3 раза, что в 1,7 раза меньше, чем для типа А.
8
(Я
я
м
Я
&
ю
о
8
8
м
8
8
и
2
и
&
со
м
lg Напряжения, МПа
Рис. 3. Логарифмическая зависимость долговременной прочности асфальтобетона типа Б с 5 % битума БНД 40/60 от напряжения: уплотнённого при 10 МПа □ - при испытаниях на воздухе; □ - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ ОП-10; и уплотнённого при 30 МПа ♦ - при испытаниях на воздухе; Н - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10 (температура испытаний 21 °С)
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
^ Напряжения, МПа
Рис. 4. Логарифмическая зависимость долговременной прочности асфальтобетонов типа А с 3 % битума БНД 200/300 (□; □) и «Б» с 3,5% битума БНД 200/300 (□; □) и с 5 % битума БНД 40/60 (О; ") от напряжения: уплотнённого при 10 МПа (□; □; О) - при испытаниях на воздухе; (□; □; ") - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10; и уплотнённого при 30 МПа (□; □; □) - при испытаниях на воздухе; (+; □; -) - при испытаниях в 0,05 % водном растворе ПАВ 0П-10 (температура испытаний 0 °С)
Также долговременная прочность асфальтобетона типа Б менее подвержена влиянию недоуплотнения, чем у типа А, поскольку её понижение составило 2,4 раза, что также в 2,4 раза меньше чем у типа А. С увеличением вязкости битума, входящего в состав асфальтобетона, сопротивляемость фактору воздействия агрессивных сред возрастает, что наглядно отражено на графике (рис. 3) и в табл. 4.
Уменьшение долговременной прочности асфальтобетона типа Б на битуме БНД 40/60 от воздействия 0,05 % водного раствора неионогенного ПАВ 0П-10 составило 1,8 раза, что значительно меньше, чем в предыдущих случаях.
Но в сочетании с недоуплотнением, показатели долговременной прочности асфальтобетона типа Б на битуме БНД 40/60, испытанного в принятых средах, резко возрастают от 46,8 раза до 80,6 раз. Это связано с более высокими прочностными показателями у асфальтобетонов, приготовленных на битумах максимально высокой вязкости.
С понижением температуры до 0 °С влияние агрессивных сред на долговременную прочность асфальтобетонов всех типов практически прекращается, а влияние недоуплотнения значительно уменьшается, что видно на графиках (рис. 4).
Линии логарифмической зависимости долговременной прочности асфальтобетонов типа А и Б при испытаниях во всех агрессивных средах практически накладываются друг на друга, что свидетельствует об отсутствии воздействия этих сред. Отсутствие влияния агрессивных сред связано с резким ослаблением их поверхностных свойств под влия-ни-ем температурного фактора.
Недоуплотнение этих асфальтобетонов оказывает некоторое влияние на показатели их долговременной прочности, но не такое существенное, как при температуре испытаний раной 21 °С. Эти изменения связаны со значительным повышением вязкости битумов всех марок, входящих в состав асфальтобетонов всех типов.
Выводы
Недоуплотнение значительно уменьшает долговременную прочность асфальтобетонов всех типов.
Влияние агрессивных сред на долговременную прочность асфальтобетонов проявляется по отношению ко всем его типам.
Интенсивность воздействия агрессивных сред усиливается фактором недоуплотнения.
Понижение температуры испытания до 0 °С практически исключает действие агрессивных сред и фактора недоуплотнения на долговременную прочность асфальтобетонов всех типов.
Литература
1. Золотарёв В.А. Долговечность дорожных
асфальтобетонов. - Харьков: Вища школа. Изд-во ХГУ, 1977. - 116 с.
2. Ефремов С.В., Золотарёв В.А. Взаимосвязь
долговременной прочности асфальтобетона с поверхностными свойствами агрессивных жидкостей // Автомобшьш дороги i дорожне будiвництво. - К.: Бу-дiвельник. - 1994. - Вип. 52. - С. 98 - 102.
3. Золотарёв В.А., Космин А.В. Физико-хи-
мическая механика строительных материалов: Конспект лекций. - Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2001. - 113 с.
4. Ефремов С. В. Влияние агрессивных сред
на долговечность асфальтобетонов с различным содержанием вяжущего. Материалы международной научно-практической интернет-конференции «Современные методы строительства дорог и обеспечение безопасности движения». -Белгород: Изд-во при БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - С. 120 - 126.
Рецензент: В.И. Братчун, профессор, д.т.н., Донбасская национальная академия строительства и архитектуры.
Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.
