Влияние свойств асфальтобетонных смесей на сопротивляемость колееобразованию Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 625.8

М.К. ПОЗДНЯКОВ, инженер (pozdnyakov_mk@mail.ru), ведущий эксперт ФГУ «Росдортехнология», Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Влияние свойств асфальтобетонных смесей на сопротивляемость колееобразованию

Пластические деформации на покрытиях автомобильных дорог РФ — одна из основных проблем и угроз для безопасности дорожного движения, а протяженность участков автомобильных дорог с колейностью в последнее время неуклонно возрастает [1]. Особенно показательным и наиболее ущербным стал 2010 г., когда в связи с повышением температуры воздуха до 40оС на многих нагруженных отрезках дорог стихийно стали возникать участки с колейностью до 10 см и более. Возникновение таких дефектов потребовало срочного проведения работ по устранению колейности и дополнительных финансовых затрат. Данный факт говорит о неспособности уложенного асфальтобетона сопротивляться существующему сочетанию температуры и осевой нагрузки на покрытие. Как было показано [2], в настоящее время в РФ для испытания асфальтобетона применяют методы, описанные в ГОСТ 12801—98, однако среди этих методов отсутствуют позволяющие проводить испытания асфальтобетона в условиях, которые моделируют движение автомобильного транспорта, т. е. многократное воздействие нагрузками, по величине значительно меньшими, чем разрушающие. В ГОСТ 12801—98 большинство методов испытания асфальтобетона основано на однократном нагружении образца до его разрушения, что не соответствует режимам работы асфальтобетона в покрытии автомобильной дороги.

В настоящее время исследователями выделяется три вида колееобразования [1, 2]:

1. Пластическое, которое происходит из-за накопления незначительных по величине сдвиговых деформаций и зависит от свойств асфальтобетона и вида вяжущего, которое в нем применяют.

2. Абразивное, которое образуется при истирающем воздействии шин, особенно шипованных.

3. Колееобразование по всей толщине дорожной одежды из-за недостаточной ее прочности, приводящей к деформированию всех слоев, включая рабочий слой.

Каждый из указанных типов колееобразования имеет свои потенциальные пути решения, которые кроются в устранении или смягчении факторов его вызывающих [2]. В статье рассматривается пластическое колеео-бразование.

С целью определить, какой асфальтобетон более предрасположен к образованию колеи, дорожные администрации многих стран мира пришли к выводу о необходимости применения методов испытания асфальтобетона колесной нагрузкой как дополнительных методов в проектировании асфальтобетона и дорожной одежды в целом. В процессе развития этих методов в странах Европы и Северной Америки были проведены многочисленные испытания [3—11], подтверждающие корреляцию между поведением асфальтобетона в лабораторных испытаниях и его работой в покрытии.

В ходе оценки существующих методов испытания асфальтобетона колесной нагрузкой автором было выделено несколько групп приборов, позволяющих оценивать сопротивляемость асфальтобетона деформаци-

ям. К первой группе относятся лабораторные методы, которые предусматривают испытание на колееобразование асфальтобетонных образцов до 70оС, погруженных в воду или находящихся в климатической камере при температуре испытания посредством многократной колесной нагрузки (WTD).

Ко второй группе относятся установки ускоренного испытания, которые для экспериментов используют полноразмерные колеса, а испытания проводят как на асфальтобетонных слоях, так и на конструкциях дорожной одежды (рис. 1). Преимуществом их является то, что они максимально приближают испытания асфальтобетона или дорожной одежды к условиям эксплуатации в реальных условиях, но требуют значительных затрат.

Еще одна группа — испытательные полигоны, которые создаются с целью оценки новых конструктивных решений дорожных покрытий, материалов, техники, в том числе оценки их эффективности на предмет колееобразования. Использование полигонов позволяет оценивать применяемые решения в условиях реального климата и задавать конкретные транспортные нагрузки для оценки их воздействия на состояние конструкции дорожных покрытий в определенных условиях.

Наибольшее распространение при лабораторной оценке сопротивляемости асфальтобетона колееобразо-ванию получили методы, построенные на принципе прокатывающегося колеса. Самые применяемые:

• анализатор асфальтобетонного покрытия, США (Asphalt pavement analyzer, APA);

• устройство испытания на колееобразование, Германия (Hamburg Wheel Tracking Device — HWTD);

• устройство испытания на колееобразование лаборатории LCPC Франция (LCPC Wheel Tracker или French Rutting Tester — FRT);

• устройство нагружения колесной нагрузкой, Великобритания (Wheel Tracking Device — WTD), и др. Среди всех характеристик методов наиболее важны:

величина образцов и нагрузки, прикладываемой к ним. Некоторые приборы способны испытывать только плиты

Рис. 1. Установка ускоренного испытания LINTRACK, Дания

22

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2011

iA ®

0

1

2

3

4

5

6

7

£ 8

S

S 9

е

л ко 10

а 11

ин 12

> 13

14

15

16

17

18

19

Участок кривой

до уплотнения \Участоккривой ползучести

Участок кривой разрушения

_Ш_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_Ш_I_I_I_1_

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Количество проходов колеса, тыс.

Рис. 2. Характерная кривая образования колеи, полученная с применением лабораторных методов

(HWTD), а другие — и плиты, и цилиндрические образцы (WTD, APA). В лабораторных методах применяют различные типы колес: металлические (HWTD), металлические с резиновой накладкой (WTD), металлические, совершающие движение по пневматическому шлангу с воздухом определенного давления (АРА), уменьшенная копия реального пневматического колеса (FRT). У каждого из видов колес есть свои преимущества и недостатки. Металлическое колесо просто в изготовлении и использовании, однако оно не совсем точно воспроизводит действия на материал, в результате он может начать крошиться в процессе испытания, чего не наблюдается при использовании остальных типов колес. Исследования, проведенные с HWTD, показали, что износостойкость материала, определяемая по количеству циклов испытания до начала крошения материала под колесом, хорошо коррелируется с характеристиками прочности и истираемости щебня. Характерная кривая для HWTD на рис. 2. Для других устройств в общем случае характерны два первых участка кривой.

Применение пневматических и металлических колес, прикладываемых через пневматический шланг, весьма сложно в связи с поддержанием в них нужного давления, они более сложной конструкции, однако их применение максимально приближает процесс испытания к реальным условиям работы материала в покрытии.

Также применяют металлические колеса с резиновой накладкой, которые сочетают преимущества всех остальных видов колес, предотвращают дробление материала во время испытания, а также просты в применении.

При всем разнообразии условий, которые могут быть созданы приборами испытания колесной нагрузкой, они преследуют одну цель — оценить, насколько материал способен сопротивляться образованию колеи.

Автором при оценке сопротивляемости асфальтобетона колееобразованию был использован прибор WTD, отвечающий требованиям EN 12698-22 [12]. Прибор имеет обрезиненное металлическое колесо, на которое прикладывают нагрузку в 520 Н. Колесо движется по цилиндрическому образцу диаметром 150 мм (процедура соответствует EN 12797-31 [13]) или образцу-плите со стороной 305 мм ^ 12697-33) [14].

Основная цель проделанных экспериментов — разработка мер по повышению стойкости асфальтобетона к образованию колеи, методики оценки сопротивляемости асфальтобетона, образованию пластической колеи. Для достижения поставленной цели решали задачи:

— анализ существующих методов, оборудования, математических моделей оценки стойкости асфальтобетона к колееобразованию и полученных закономерностей при испытании, выбор наиболее оптимального оборудования исходя из конструктивных особенностей и возможного применения в условиях РФ;

— выявление закономерности влияния отдельных составляющих асфальтобетона и добавок на величину образования колеи по разработанной методике.

С этой целью были изучены этапы образования колеи на асфальтобетоне, соответствующем ГОСТ 9128—97 и ГОСТ 31015—2002, зависимость устойчивости асфальтобетона по отношению к колееобразованию от количества щебня в смеси, вида вяжущего и асфальтобетона и др.

В ходе проведенной работы по изучению кривой образования колеи были выявлены закономерности:

1. На кривой развития колееобразования имеется два ярко выраженных участка — доуплотнения и ползучести (рис. 3, 4).

2. Прослеживается зависимость конечной глубины колеи, глубины колеи по завершении участка доуплотнения и величины наклона кривой ползучести в зависимости от характеристик испытываемого асфальтобетона и типа применяемого вяжущего. Выявлены зависимости уклона кривой колееобразования от количества щебня в смеси (рис. 5).

3. Глубина колеи в окончании кривой доуплотнения коррелируется с остаточной пористостью образца, и тем больше, чем больше остаточная пористость (рис. 6).

Глубина колеи при испытаниях составила большее значение в образцах с обыкновенным битумом, а в об-

25

20 -

15 -

10

3

VL

0 0

со

0 5 0

0 5

О)

0 0

•t

0 5

СО

0 0

со

0 5

Г-

Количество проходов колеса

Рис. 3. Кривые образования колеи для плотных асфальтобетонов: 1 - среднее по типу А; 2 - среднее по типу Б; 3 - среднее по типу В

5

4

3

2

Количество проходов колеса

Рис. 4. Кривые образования колеи в асфальтобетоне типа Б и в ЩМА-20 на различных вяжущих на цилиндрических образцах: 1 - Б1 БНД; 2 - Б1 ПБВ; 3 - ЩМА БНД; 4 - ЩМА ПБВ

5

0

0

fj научно-технический и производственный журнал

® октябрь 2011 23~

Таблица 1

Показатель Асфальтобетон типа А на битуме БНД 60/90 Асфальтобетон типа Б на битуме БНД 60/90 Асфальтобетон типа В на битуме БНД 60/90

Остаточная пористость, % 2,14 2,43 2,83

Количество щебня в смеси, % 56 45 30

Количество битума, % 4,8 5,3 5,5

Сдвигоустойчивость:

Коэффициент внутреннего трения по ГОСТ 12801-98 0,912 0,849 0,85

Сцепление при сдвиге при 50оС, МПа, по ГОСТ 12801-98 0,355 0,487 0,605

Показатель уровня колееобразования (К) 24,5 43,9 81,2

Пропорциональная глубина колеи после 1000 проходов колеса, ПК1000, мм/см 1,19 2,06 3,24

Уклон кривой колееобразования по (Ук), мм-2/1000 циклов 136,79 345,78 824,76

разцах с полимербитумным вяжущим (ПБВ) той же вязкости глубина колеи была значительно меньше (рис. 4).

В зависимости от применяемого вяжущего также менялся наклон кривой ползучести, характеризующийся

7,3000 _ гЮОО

коэффициентом колееобразования (Кк) Xг=—-——,

2

мм/1000 проходов. Для ЩМА этот коэффициент составлял около 0,67 мм на 1000 проходов колеса, а для асфальтобетона типа Б — 0,87 мм на 1000 проходов. В случае применения вместо обыкновенного битума ПБВ той же вязкости коэффициент колееобразования снижался. Показатели, полученные при обработке кривых колееобразования, для плотных асфальтобетонов типов А, Б, В, приведены в табл. 1. Это можно объяснить тем, что ЩМА имеет более плотную каркасную структуру, которая характеризуется большей сдвигоустойчивостью по оценке по ГОСТ 12801—98. Применение ПБВ позволяет добиться сокращения накопления микроскопических деформаций в асфальтобетоне за счет большей эластичности этого вяжущего.

В ходе проведения испытаний для оценки кривых образования колеи были применены показатели:

1. Уровень колееобразования (К). Вычисляется для каждого испытываемого образца асфальтобетона:

3-Г1000+/900 -%о -3-7700,

(1)

где гш — значение глубины колеи после ш проходов колесной нагрузки.

2. Пропорциональная глубина колеи при различном количестве проходов колеса (1000, 2000, 3000) вычисляется по формуле:

ТТК = Кп

пкп

(2)

где Кп — глубина колеи после п проходов колесной нагрузки; h, мм — высота образца до начала испытания.

3. Уклон кривой колееобразования (Ук). Характеризует уклон кривой колееобразования на участке необ ния). Определяется по формуле:

._( ^4000 ~^2000 )

Ук-

2000

(3)

где ^4000 и ^2000 — глубины колеи после 4000 и 2000 приложений нагрузки. Показатель измеряется в мм/1000 циклов. В случае, если испытание заканчивается до 4000 проходов колеса, интервал вычисления может быть

сокращен так, чтобы нижнее значение было не менее 1500 проходов, а верхнее не менее 2250. В противном случае считается, что образец достиг критической глубины колеи на стадии доуплотнения.

4. Для каждой из испытанных смесей проводили испытания по оценке сдвигоустойчивости асфальтобетона по ГОСТ 12801—98 с определением коэффициента внутреннего трения асфальтобетона и сцепления при сдвиге (Сл, МПа).

В результате получены средние кривые колееобразо-вания для каждой серии образцов. Кривые колееобразо-вания при испытаниях плотного асфальтобетона типов А, Б и В по ГОСТ 9128—97 показаны на рис. 3, а результаты обработки полученных кривых — в табл. 1.

Автором проведены исследования по изучению влияния применения видов вяжущих на устойчивость различных асфальтобетонов к колееобразованию. Для выполнения эксперимента были взяты два вида асфальтобетонов: тип Б марки 1 по ГОСТ 9128 и ЩМА-20 по ГОСТ 31015. Каждый из составов был испытан с применением как обыкновенного вяжущего (битум БНД

901 801 701 601 501 401 301 201 101

о \о

Ф о ф ф

о >

1

30

- Я2=0,973 «,825

-

- ^^•346

1

131 / Я2=0,984

- 25 44 --»81

I2«5-г 1 1

35

40

45

50

55

60

Количество щебня в смеси, %

Рис. 5. Зависимость показателей уровень колееобразования (К) (1) и уклон кривой колееобразования (Ук) (2) от количества щебня в смеси, %

б& 2,2 -п

2

1,5 2 2,5 3

Показатель пропорциональной глубины колеи после 1000 проходов колеса (ПК1000)

Рис. 6. Зависимость показателя пропорциональной глубины колеи после 1000 проходов колеса от остаточной пористости материала, %

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

24 октябрь 2011 ы ®

Таблица 2

Показатель Асфальтобетон типа Б марки 1 на БНД 60/90 Асфальтобетон типа Б марки 1 на ПБВ 60 ЩМА-20 на битуме БНД 60/90 ЩМА-20 на ПБВ 60

Уровень колееобразования (К) 118 66 109 51

Пропорциональная глубина колеи при 1000 проходов (ПК1000) мм/см 0,57 0,46 0,57 0,37

Пропорциональная глубина колеи при 2000 проходов (ПК2000) мм/см 0,68 0,58 0,65 0,43

Пропорциональная глубина колеи при 3000 проходов (ПК3000) мм/см 0,78 0,67 0,76 0,49

Уклон кривой колееобразования (Ук) мм-2/1000 проходов 61,5 41,5 54 29

60/90), так и с использованием полимерно-битумного вяжущего по ГОСТ 52056 с близким показателем пенет-рации. В результате испытаний были получены зависимости, приведенные на рис. 4. Данные, полученные при обработке кривых колееобразования, приведены в табл. 2.

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Повысить сопротивляемость асфальтобетона к образованию колеи на начальном этапе работы асфальтобетона в покрытии позволяет применение асфальтобетонов с более низкой остаточной пористостью. Исследования показали: пропорциональная глубина колеи в конце периода доуплотнения (после 1000 проходов колеса) пропорциональна остаточной пористости (рис. 6).

2. Для получения асфальтобетонов с повышенной стойкостью к колееобразованию необходимо применять оптимальное количество вяжущих, использовать битумы с расширенным интервалом пластичности, а также использовать модифицированные вяжущие с повышенными показателями температуры размягчения (ПБВ на основе блоксополимеров типа СБС или резинобитум-ные вяжущие). Представленные выше результаты свидетельствуют о возможности значительного снижения показателей колееобразования в смесях за счет замены битумов марок БНД вяжущими марок ПБВ той же вязкости.

Анализ полученных результатов показал, что разработанная методика испытания более чувствительна к изменениям в составе асфальтобетона, чем методика по ГОСТ 12801, и является хорошим инструментом при проектировании составов асфальтобетонных смесей, более стойких к колееобразованию. При испытании спроектированных составов разница в коэффициенте внутреннего трения смесей типов А, Б и В по ГОСТ 9128 была в пределах 7,5% (при приблизительно одинаковых значениях для типов А и Б), а по показателю сцепления при сдвиге отличалась в 1,7 раза (табл. 1). Данные результаты говорят о том, что традиционные методы, заложенные в ГОСТ 12801, намного менее чувствительны к изменениям в составе асфальтобетонной смеси, влияющим на стойкость асфальтобетона к колееобразованию.

При использовании показателей пропорциональной глубины колеи после 1000 проходов колеса показатели различались в 2,7 раза, а по показателю уклона кривой колееобразования, характеризующего сопротивляемость асфальтобетона колееобразованию во время стадии кривой ползучести, в 6 раз. Результаты выявили линейную зависимость разработанных показателей (ПК1000, Ки Ук) от количества щебня в смеси и остаточной пористости асфальтобетона, что видно на рис. 6, 7.

Проведенные исследования показали, что предложенные характеристики позволяют более эффективно оценивать влияние гранулометрического состава асфальтобетонной смеси на стойкость асфальтобетона к колееобразованию, а также выявлены зависимости меж-

ду остаточной пористостью образцов и показателем пропорциональной глубины колеи в период доуплотнения образца. Предложенная методика позволяет не только оценить общую стойкость асфальтобетонного образца к образованию в нем колеи, но и изучать отдельные этапы образования колеи и выявлять факторы, влияющие на интенсивность образования колеи на каждом этапе.

Ключевые слова: колейность, пластическое колее-образование, лабораторные методы испытания дорожной нагрузкой, сопротивление колееобразованию, кривая образования колеи, повышение стойкости к образованию колеи.

Список литературы

1. Поздняков М.К. О колееобразовании на автомобильных дорогах // Дороги содружества. 2008. № 4.

2. СТО ГК «Трансстрой»-007—2007 Асфальтобетон. Метод оценки устойчивости к образованию колеи пластичности.

3. Поздняков М.К., Быстров Н.В. Зарубежный опыт оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона // Сб. статей и докладов ежегодной науч. сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона. М., 2009. С. 7—17.

4. John B. Metcalf. Application of full-scale accelerated pavement testing, NCHRP SYNTHESIS, 1996. 235 рр.

5. Significant findings from full-Scale accelerated pavement testing, NCHRP SYNTHESIS, 2004. 325 рр.

6. Larry Santucci. Rut resistant asphalt pavements, Institute of Transportation Studies, 2002.

7. PrithviS. Kandhal, L. Allen Cooley. Accelerated laboratory rutting tests: evaluation of the asphalt pavement analyzer. NCHRP Report, 2003. 508 pр.

8. Kevin D. Stuart, Walaa S. Mogawer. Validation of asphalt binder and mixture tests that measure rutting susceptibility using the accelerated loading facility. FHWA Report RD-99-204, 1999.

9. J. Perret, A.-G. Dumont, J.-C. Turtschy. Assessement of resistance to rutting of high modulus bituminous mixtures using full-scale accelerated loading tests. 3rd Eurasphalt & Eurobitume Congress Vienna. 2004. Paper № 208.

10. L.J.M. Houben, C.H. Vogelzang. LINTRACK rutting research project. ALT testing program. Road and Railroad research laboratory. Delft University of Technology. Delft. The Netherlands, 2002.

11. L. Allen Cooley Jr., Prithvi S. Kandhal, M. Shane Buchanan. Loaded wheel testers in the United States: state of the practice. NCAT Report 00-04, 2000.

12. EN 12697-22 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Wheel tracking.

13. EN 12697-31 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Preparation by gyratory compactor.

14. EN 12697-33 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Preparation by roller compactor.

©teD'AfZJlhrMS.

научно-технический и производственный журнал

октябрь 2011

25