32.17.5. Оценка воздействия температуры на дорожную одежду

Эластичность, вязкость, деформация и усталость битумных материалов зависят от температуры. Модуль упругости уменьшается с увеличением температуры, и, как следствие, нагрузки, прилагаемые к материалам под битумным покрытием, будут расти с ростом температуры. Также под влиянием больших поверхностных нагрузок битумные материалы имеют тенденцию к вязкой текучести, и эта тенденция растет с увеличением температуры. Именно в эти периоды обычно появляются выбоины. При всех прочих постоянных факторах во время высокой температуры на поверхности покрытие подвергается большему разрушению из-за увеличившихся нагрузок, чем в другое время. Это температурное воздействие учитывается в методе проектирования покрытий «Шелл» при использовании средневзвешенной температуры воздуха.

Было также выявлено, что при теплом воздухе скорость твердения битумного раствора с возрастом из-за окисления увеличивается. Наоборот, при низких температурах битумные растворы становятся все более вязкими и крепкими. При минусовых температурах битум превращается в ломкое (хрупкое) эластичное (упругое) твердое тело и при, примерно, -20°С он достигает так называемой «температуры превращения в стекло».

Неудивительно, что при таком климате, как в Беларуси, где температуры поверхности дорог колеблются в течение года от +60°С до -30°С, могут возникать очень высокие термические нагрузки, которые в сочетании с горизонтальными нагрузками транспорта, с большой долей вероятности могут привести к растрескиванию покрытий. В связи с этим возникает необходимость создания универсального материала покрытия дорожных одежд.

В идеальном случае битум должен:

– быть текучим и легким в обработке во время строительства;

– иметь хорошее сцепление с заполнителями;

– быть вязким при высокой температуре покрытия;

– быть достаточно текучим при низких температурах во избежание трещин;

– сопротивляться возрастному затвердеванию.

Некоторые из этих требований противоречат друг другу, и в странах с большими колебаниями температуры трудно производить асфальтобетонную смесь, которая достаточно крепка при высоких температурах для сопротивления возникновению выбоин; достаточно гибкая (эластичная) и текучая, чтобы не потрескаться под воздействием низких температур, и содержащая достаточно битума, чтобы сопротивляться возрастному затвердению.

Смеси могут быть такими, но, очевидно, что допуск может быть таким незначительным, что это бы потребовало применение самых строгих процедур по обеспечению качества не только на строительной площадке, но также и при производстве битума. Были попытки изготовить битумные смеси, менее подверженные воздействию температур, и повысить пластичность, изменяя ее путем добавления небольшого процента (3-5%) стирен-бутадиена-стирена (SBS) (синтетическая резина), который создает в битуме длинные цепные молекулярные структуры. Предварительные результаты в этой области кажутся успешными на примере румынского битума, но необходимо подождать еще несколько лет, прежде чем сделать окончательные выводы.

Исследования показали, что большая часть трещин, как на старых, так и на новых покрытиях начинается на самой поверхности, а не внизу пограничного слоя в колесной колее, как думали раньше. Только сейчас приходит понимание, что именно возрастное затвердение, которое происходит очень быстро в нескольких верхних миллиметрах, является главной причиной растрескивания вглубь от поверхности.

Результаты измерения вязкости битума, взятого из нескольких уровней под асфальтовыми покрытиями в Кении Лабораторией Транспортных Исследований (TRL) показали, что старение, вызванное окислением, происходит быстрее в пористой асфальтовой смеси. Похоже, что применения пористых заполнителей надо избегать, и что смеси, содержащие больше битума, менее подвержены растрескиванию и, возможно, возрастному затвердеванию. Процесс затвердевания может быть замедлен путем восстановления поверхности с помощью масел и битума с высокой проникающей способностью. TRL предложила через небольшое время после укладки асфальтобетона произвести разовое уплотнение (заделку) поверхности или поверхностную обработку для пропитки поверхности битумом, чтобы задержать возрастное затвердение. Было показано, что такие обогащенные битумом поверхности стареют намного медленнее, чем заранее приготовленные смеси. Поскольку это влечет за собой дополнительные расходы, всеобщее одобрение этой идеи пока не достигнуто.

Как известно, влажность в Беларуси во время весенней оттепели достигает пиковой отметки, и степень разрушения дорог наиболее велика в это время года (вспучивание). Интересно заметить, что дорожный тест AASHTO проводился в Иллинойсе, где почти такие же суровые зимы, как и в Беларуси. Из этого делается вывод, что наиболее подходящее время для измерения влагосодержания грунтового основания – период, следующий сразу за оттепелью. Не следует игнорировать разрушение покрытия в остальное время года, и руководство AASHTO рекомендует применение среденевзвешенного модуля упругости грунтового основания, который учитывает изменения прочности всех времен года.