Методическое пособие 825

Научный журнал строительства и архитектуры

прочностью. При оптимальном количестве битума достигается максимальная средняя плотность и прочность асфальтовяжущего на сжатие при температурах 20 и 50 °С. Внешний вид смеси асфальтовяжущего: рыхлая с черным блеском, характеризуется наличием структурированных зон в битумных пленках с незначительной долей пленок с диффузными зонами и объемным битумом. Толщина битумных пленок составляет примерно 600 —800 нм, толщина битумных прослоек — от 2000 до 3000 нм, расход битума от 11 до 14 %, в уплотненном состоянии асфальтовяжущее обладает наибольшей когезионной и адгезионной прочностью. При избыточном количестве битума снижается средняя плотность и прочность асфальтовяжущего, проявляются эффекты ползучести и пластического течения при деформировании образцов асфальтовяжущего. Внешний вид смеси асфальтовяжущего: «жирная» рыхлая с черным блеском, характеризуется наличием ориентированных слоев и объемного битума в битумных пленках с толщиной не менее 800 нм, расход битума составляет 14 % и более. Формируются прослойки толщиной не менее 1600 нм с пониженной когезионной прочностью и пластическим течением при деформировании.

Внешнее сжимающее давление на битумные прослойки в упомянутых системах в асфальтовяжущем можно рассматривать при перекрытии ориентированных слоев битумных пленок равным по величине, но противоположным по направлению расклинивающему давлению прослоек. Решающий вклад в возникновение расклинивающего давления в битумных прослойках вносят силы структурного отталкивания, которые можно охарактеризовать структурной составляющей расклинивающего давления и описать экспоненциальной зависимостью (2), а также вычислить константы К и l из уравнения (2) и получить расчетным путем зависимость структурной составляющей расклинивающего давления от толщины прослойки Пs = f(h), т. е. расчетную изотерму структурной составляющей расклинивающего давления (рис. 3). На кривой можно условно выделить три зоны, которые характеризуют различное структурное состояние битумной прослойки между минеральными зернами. В зоне А происходит сближение структурированных зон, которые между собой не взаимодействуют, поэтому уменьшение толщины прослойки происходит при незначительных внешних усилиях. В зоне Б наблюдается сближение и перекрытие структурированных зон, первоначальная их структура нарушается, структурированный битум выдавливается из зоны контакта. Формирование новой структуры прослойки, которая отличается более высокой плотностью и упругими свойствами, большой сопротивляемостью к внешним нагрузкам, заканчивается на участке 0α зоны Б. Поэтому в зоне В незначительное уменьшение толщины прослойки происходит при значительных внешних усилиях, т. к. возможно перекрытие твердообразных зон битумной прослойки.

Рис. 3. Схематичное изображение зон на изотерме структурной составляющей

расклинивающего давления битумной прослойки: зона А — начальная; зона Б — переходная; зона В — конечная;

h — толщина битумной прослойки; ПS — структурная составляющая расклинивающего давления

Вычисления констант структурной составляющей расклинивающего давления K и l производились следующим образом. Строились зависимости Пs = f(h) по имеющимся данным [9] для асфальтовяжущего на известняковом минеральном порошке. На кривых условно выделялись зоны А, Б и В, участок 0α (рис. 3). На участке 0α зоны Б отмечали две точки и

50

соответствующие им значения Пs и h. По графически определенным значениям Пs и h находили константу l, деля одно уравнение Пs = К е−h/l на другое. Затем находили константу К из

любого уравнения. По полученным значениям К и l, значениям толщин прослоек h рассчитывали величину структурной составляющей Пs и строили расчетную изотерму структурной составляющей расклинивающего давления (рис. 4). Характеристики расклинивающего давления для асфальтовяжущего приведены в таблице.

расчетная изотерма

экспериментальная изотерма

Рис. 4. Изотермы расклинивающего давления для асфальтовяжущего на известняковом минеральном порошке: ПS — структурная составляющая расклинивающего давления;

h — толщина битумной прослойки

Из рис. 4 и таблицы видно, что в начальной точке изотермы, т. е. в начале процесса сближения минеральных зерен при равных толщинах битумных прослоек экспериментальные значения расклинивающего давления ниже на 44 % по сравнению с расчетными значениями. В конечной точке изотермы при приближении к предельно минимальным значениям толщин битумных прослоек при их равных толщинах экспериментальные значения расклинивающего давления больше, чем расчетные значения, на 30 %. Изменения характера расчетной изотермы по сравнению с экспериментальной свидетельствует о том, что формула (2) для расчета значений сил структурного отталкивания справедлива для менее структурированных и прочных жидких пленок и прослоек, чем битумные. Вязкий дорожный битум является сложной дисперсной системой, образующей битумные прослойки между зернами минерального порошка с трех-, пяти- и семислойной структурой. Поэтому для достижения более тонких прослоек требуется более высокое сжимающее давление, чем полученное по формуле (2).

Следует отметить также, что расклинивающее давление в битумных прослойках возникает не только при перемешивании и уплотнении асфальтобетонной смеси, но и при воздействии нагрузок на поверхность асфальтобетона в покрытии. Благодаря особой многослойной структуре битумных прослоек становится возможным проявление разных реологических состояний асфальтобетона, характеризующихся такими показателями, как сопротивление сдвигу, изгибу, релаксация напряжений, усталостная прочность, упругопластические свойства. Введение в битум или асфальтобетонную смесь добавок различного функционального назначения [8, 14, 17—21, 23, 24, 26] будет влиять на структуру, свойства и поведение битум-

51

Научный журнал строительства и архитектуры

ных пленок и прослоек и приводить к изменению свойств асфальтобетонных смесей и асфальтобетона в покрытии.

Таблица

Характеристика битумных пленок и прослоек

Выводы

1.Формирование битумных пленок и прослоек про перемешивании асфальтобетонной смеси предложено рассматривать с позиций представления асфальтобетонной смеси как трибологической системы; в работе охарактеризованы ее элементы и структура.

2.Предложена модель битумной прослойки между двух минеральных поверхностей частиц в асфальтобетоне. Уточнена структура твердообразной зоны, условия взаимодействия и предложены возможные варианты структуры битумной прослойки, рассмотрена возможность появления различных составляющих расклинивающего давления в битумных прослойках.

3.Рассмотрены варианты строения битумной прослойки для микроструктуры асфальтобетона в асфальтовяжущем. Рассмотрение деформирования битумных прослоек при возникновении структурной составляющей расклинивающего давления позволило выделить на изотерме расклинивающего давления три зоны деформирования с характерными особенностями.

4.Предложена методика расчета констант структурной составляющей расклинивающего давления и построения расчетных изотерм на основе имеющихся экспериментальных данных и произведены вычисления для асфальтовяжущего на известняковом минеральном порошке. Различия между экспериментальной и расчетной изотермами свидетельствуют о том, что полученная в работе формула (2) для расчета сил структурного отталкивания справедлива для менее прочных и структурированных жидких пленок и прослоек, чем битумные.

5.Рассмотрение условий формирования битумных прослоек в асфальтобетоне, разработанные теоретические представления и методика расчета могут быть использованы для исследования механизмов функционирования прослоек модифицированных битумных вяжущих и модифицированных асфальтобетонов с добавками различного функционального назначения и разработки асфальтобетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

52

Библиографический список

1.Адамсон, А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. — М.: Мир, 1979. — 568 с.

2.Аминов, Ш. Х. Битум, полимер, адгезив. Особенности производства и применения композиций / Ш. Х. Аминов, И. Б. Струговец, З. Г. Теляшев, Ю. А. Кутьин // Автомобильные дороги. — 2010. — № 1. — С. 55—57.

3.Бардаев, С. В. Исследование рабочего процесса асфальтосмесителя непрерывного действия: дис. … канд. техн. наук / С. В. Бардаев. — Харьков, 1979. — С. 55—62.

4.Голованова, Т. А. Изменение свойств битумов при нагревании в контакте с минеральным наполнителем / Т. А. Голованова, О. Г. Попов, Д. А. Розенталь // Журнал прикладной химии. — 1994. — Т. 67, вып. 11. — С. 1920 — 1922.

5.Дерягин, Б. В. Поверхностные силы / Б. В. Дерягин, И. В. Чураев, В. М. Муллер. — М.: Наука, 1987. — 388 с.

6.Израелашвили, Дж. Межмолекулярные и поверхностные силы / Джейкоб Израелашвили. — М.: Научный мир, 2011. — 456 с.

7.Иноземцев, С. С. Исследование адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка / С. С. Иноземцев, М. К. Поздняков, Е. В. Королев // Вестник Московского государственного строительного университета. — 2012. — № 11. — С. 159—167.

8.Калгин, Ю. И. Устойчивость щебеночно-мастичного асфальтобетона, модифицированного полимерной адгезионной добавкой, к накоплению остаточных деформаций / Ю. И. Калгин, А. С. Строкин, С. А. Мирончук // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2015. — № 7. — С. 58—64.

9. Королев, И. В. Дорожный теплый асфальтобетон / И. В. Королев, Е. Н. Агеева, В. А. Головко, Г. Р. Фоменко. — Киев: Вища школа, 1984. — 200 с.

10.Королев, И. В. Модель строения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетоне / И. В. Королев // Известия вузов. Строительство и архитектура. — 1981. — № 8. — С. 63—67.

11.Котлярский, Э. В. Расчетно-экспериментальная методика проектирования состава асфальтобетона

сучетом структурно-механических характеристик асфальтобетонных смесей и асфальтобетона / Э. В. Котлярский, Н. Б. Урьев // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2009. — № 1. — С. 10—12.

12.Майданова, Н. В. Влияние величины поверхности минерального наполнителя и содержания ароматических масел в битуме на процесс его адсорбции / Н. В. Майданова, Д. А. Розенталь // Журнал прикладной химии. — 2006. — Т. 79, вып. 8. — С. 1399—1400.

13.Манг, Т. Смазочные материалы в трибологической системе / Т. Манг // Смазки. Производство, применение, свойства: справочник / Т. Манг, У. Дрезель. — СПб: ЦОП «Профессия», 2010. — С. 48—63.

14.Никонова, О. Н. Сравнительный анализ влияния различных модифицирующих добавок на физикомеханические и реологические свойства битумов / О. Н. Никонова, А. В. Руденский // Дороги имосты. — 2011. — № 2. — С. 287—294.

15.Ролдугин, В. И. Физикохимия поверхности / В. И. Ролдугин. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011. — 568 с.

допустимые технологические температуры асфальтобетонных смесей / А. Б. Соломенцев, С. Л. Ревякин, Д. А. Оноприйчук // Строительство и реконструкция. — 2017. — № 6. — С. 128—140.

18.Соломенцев, А. Б. Реологические свойства дорожного битума с адгезионными добавками на основе азотсодержащих катионных ПАВ/ А. Б. Соломенцев, Л. С. Мосюра // Строительство и реконструкция. — 2015. —

№6. — С. 124—131.

19.Соломенцев, А. Б. Структура дорожного битума и его взаимодействие со стабилизирующими волокнистыми добавками для щебеночно-мастичного асфальтобетона / А. Б. Соломенцев, И. А. Баранов // Строительство и реконструкция. — 2013. — № 4. — С. 75—83.

20.Ядыкина, В. В. Добавка в асфальтобетонные смеси для продления сезона дорожного строительства / В. В. Ядыкина, А. М. Гридчин, В. С. Холопов, А. И. Траумваин // Фундаментальные исследования. — 2014. —

№11. — С. 2395—2399.

21.Cuadri, A. A. Bitumen Modifiers for Reduced Temperature Asphalts: a Comparative Analysis Between

Three Polymeric and Non-Polimeric Additives / A. A. Guadri, V. Carrera, M. A. Izquierdo, M. Garcia-Morale,

F.J. Navarro // Construction and Building Materials. — 2014. — № 51. — P. 82—88.

22.Danckwerts, P. V. Theoryof Mixturesand Mixing/ P. V. Danckwerts// Research. —1953. — V. 6, № 7. — P. 355—361.

23.Gonzáles, V. A Studio the Prozessing of Bitumen Modified with Tire Crumb Rubber and Polymeric Additives / V. Gonzáles, F. J. Martínes-Boza, C. Gallegon, A. Pérez-Lepe, A. Páez // Fuel Processing Technology. — 2012. — № 95. — P. 137—143.

53

Научный журнал строительства и архитектуры

24.Gorkem, C. Predicting Stripping and Moisture Damage of Asphalt Concrete Prepared with Polimer Modified Bitumen and Hydrated Lime / C. Gorkem, B. Sengoz // Construction and Building Materials. — 2009. — V. 23,

№6. — P. 2227—2236.

25.Lacey, P. M. C. Development in the Theory of Particle Mixing / P. M. C. Lacey // Journal of Applied Chemistrey. — 1954. — V. 4, № 5. — P. 435—441.

26.Teltayev, B. Rheological Properties of Oxidized Bitumen with Polimer Additive / Bagdat Teltayev // Journal of Applied Sciences. — 2015. — № 1. — P. 129—137.

References

1.Adamson, A. Fizicheskaya khimiya poverkhnostei / A. Adamson. — M.: Mir, 1979. — 568 s.

2.Aminov, Sh. Kh. Bitum, polimer, adgeziv. Osobennosti proizvodstva i primeneniya kompozitsii / Sh. Kh. Aminov, I. B. Strugovets, Z. G. Telyashev, Yu. A. Kut'in // Avtomobil'nye dorogi. — 2010. — № 1. — S. 55—57.

3.Bardaev, S. V. Issledovanie rabochego protsessa asfal'tosmesitelya nepreryvnogo deistviya: dis. … kand. tekhn. nauk / S. V. Bardaev. — Khar'kov, 1979. — S. 55—62.

4.Golovanova, T. A. Izmenenie svoistv bitumov pri nagrevanii v kontakte s mineral'nym napolnitelem / T. A. Golovanova, O. G. Popov, D. A. Rozental' // Zhurnal prikladnoi khimii. — 1994. —T. 67, vyp. 11. — S. 1920—1922.

5.Deryagin,B.V. Poverkhnostnyesily/B.V.Deryagin,I.V.Churaev,V.M.Muller.—M.:Nauka,1987.—388s.

6.Izraelashvili, Dzh. Mezhmolekulyarnye i poverkhnostnye sily / Dzheikob Izraelashvili. — M.: Nauchnyi mir, 2011. — 456 s.

7.Inozemtsev, S. S. Issledovanie adsorbtsionno-sol'vatnogo sloya bituma na poverkhnosti mineral'nogo poroshka / S. S. Inozemtsev, M. K. Pozdnyakov, E. V. Korolev // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta. — 2012. — № 11. — S. 159—167.

8.Kalgin, Yu. I. Ustoichivost' shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona, modifitsirovannogo polimernoi adgezionnoi dobavkoi, k nakopleniyu ostatochnykh deformatsii / Yu. I. Kalgin, A. S. Strokin, S. A. Mironchuk // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2015. — № 7. — S. 58—64.

9. Korolev, I. V. Dorozhnyi teplyi asfal'tobeton / I. V. Korolev, E. N. Ageeva, V. A. Golovko,

G.R. Fomenko. — Kiev: Vishcha shkola, 1984. — 200 s.

10.Korolev, I. V. Model' stroeniya bitumnoi plenki na mineral'nykh zernakh v asfal'tobetone / I. V. Korolev // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 1981. — № 8. — S. 63—67.

11.Kotlyarskii, E. V. Raschetno-eksperimental'naya metodika proektirovaniya sostava asfal'tobetona s

uchetom strukturno-mekhanicheskikh kharakteristik asfal'tobetonnykh smesei i asfal'tobetona / E. V. Kotlyarskii,

N.B. Ur'ev // Vestnik BGTU im. V. G. Shukhova. — 2009. — № 1. — S. 10—12.

12.Maidanova, N. V. Vliyanie velichiny poverkhnosti mineral'nogo napolnitelya i soderzhaniya aromaticheskikh masel v bitume na protsess ego adsorbtsii / N. V. Maidanova, D. A. Rozental' // Zhurnal prikladnoi khimii. — 2006. —T. 79, vyp. 8. — S. 1399—1400.

13.Mang, T. Smazochnye materialy v tribologicheskoi sisteme / T. Mang // Smazki. Proizvodstvo, primenenie, svoistva: spravochnik / T. Mang, U. Drezel'. —SPb: TsOP «Professiya», 2010. — S. 48—63.

14.Nikonova, O. N. Sravnitel'nyi analiz vliyaniya razlichnykh modifitsiruyushchikh dobavok na fizikomekhanicheskie i reologicheskie svoistva bitumov / O. N. Nikonova, A. V. Rudenskii // Dorogi i mosty. — 2011. — № 2. — S. 287—294.

15.Roldugin, V. I. Fizikokhimiya poverkhnosti /V.I. Roldugin.—Dolgoprudnyi: ID«Intellekt», 2011.—568s.

16. Rudenskii, A. V. Dorozhnye asfal'tobetonnye pokrytiya na modifitsirovannykh bitumakh /

A.V. Rudenskii, Yu. I. Kalgin. — Voronezh: Izd-vo Voronezh. gos. un-ta, 2009. — 143 s.

17.Solomentsev, A. B. Reologicheskaya chuvstvitel'nost' dorozhnogo bituma k polimernym dobavkam i

dopustimye tekhnologicheskie temperatury asfal'tobetonnykh smesei / A. B. Solomentsev, S. L. Revyakin,

D.A. Onopriichuk // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. — 2017. — № 6. — S. 128—140.

18.Solomentsev, A. B. Reologicheskie svoistva dorozhnogo bituma s adgezionnymi dobavkami na osnove azotsoderzhashchikh kationnykh PAV / A. B. Solomentsev, L. S. Mosyura // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. — 2015. — № 6. — S. 124—131.

19.Solomentsev, A. B. Struktura dorozhnogo bituma i ego vzaimodeistvie so stabiliziruyushchimi voloknistymi dobavkami dlya shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona / A. B. Solomentsev, I. A. Baranov // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. — 2013. — № 4. — S. 75—83.

№11. — S. 2395—2399.

21.Cuadri, A. A. Bitumen Modifiers for Reduced Temperature Asphalts: a Comparative Analysis Between

Three Polymeric and Non-Polimeric Additives / A. A. Guadri, V. Carrera, M. A. Izquierdo, M. Garcia-Morale, F. J. Navarro // Construction and Building Materials. — 2014. — № 51. — P. 82—88.

54

22. Danckwerts, P. V. Theory of Mixtures and Mixing / P. V. Danckwerts // Research. — 1953. — V. 6,

№7. — P. 355—361.

23.Gonzáles, V. A Studio the Prozessing of Bitumen Modified with Tire Crumb Rubber and Polymeric Additives / V. Gonzáles, F. J. Martínes-Boza, C. Gallegon, A. Pérez-Lepe, A. Páez // Fuel Processing Technology. — 2012. —

№95. — P. 137—143.

24.Gorkem, C. Predicting Stripping and Moisture Damage of Asphalt Concrete Prepared with Polimer Modified Bitumen and Hydrated Lime / C. Gorkem, B. Sengoz // Construction and Building Materials. — 2009. — V. 23,

№6. — P. 2227—2236.

25.Lacey, P. M. C. Development in the Theory of Particle Mixing / P. M. C. Lacey // Journal of Applied Chemistrey. — 1954. — V. 4, № 5. — P. 435—441.

26.Teltayev, B. Rheological Properties of Oxidized Bitumen with Polimer Additive / Bagdat Teltayev // Journal of Applied Sciences. — 2015. — № 1. — P. 129—137.

CONDITIONS FOR THE FORMATION

OF BITUMEN LAYERS IN ASPHALT-CONCRETE

A. B. Solomentsev1

Orel State University named after I. S. Turgenev 1

Russia, Orel

1 PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Urban Economy and Highway Construction, tel.: +7-910-748-17-58, e-mail: absolomentsev@mail.ru

Statement of the problem. The conditions and mixing asphalt concrete mixture, propping pressure in liquid interlayers are considered. A model of the structure of a bitumen film on mineral grains in asphalt concrete is also presented. The purpose of the study is to analyze the structure and behavior of bitumen interlayers in asphalt mix and asphalt concrete as well as the characteristics of bitumen interlayers.

Results and conclusions. The conditions for the formation of bitumen films are considered, based on the concepts of asphalt-concrete mixture as a tribological system and taking into account physical and chemical processes and interactions. A model of the structure of the bitumen layer between two mineral surfaces in asphalt concrete is proposed. On the isotherm of the structural component of the wedging pressure, three zones with different structural states were distinguished and characterized. A method for calculating the constants and isotherms of the structural component of the wedging pressure is proposed and calculations are performed. The structure and properties of an asphalt binder and bitumen layers it contains are characterized with different amounts of bitumen.

Keywords: bitumen, asphalt concrete, bitumen films and interlayers, wedging pressure, characteristics of bitumen interlayers and wedging pressure.

25-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА СТРОИТЕЛЬНЫХ И ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ «ИНТЕРСТРОЙЭКСПО»

18—20 апреля 2019 г., Санкт-Петербург, ЭКСПОФОРУМ Программа выставки:

конгресс по строительству IBC — прямой диалог представителей органов власти и бизнессообщества;

международный архитектурный форум Archispace — платформа для диалога между архитекторами, градостроителями, девелоперами;

конкурс «Инновации в строительстве». Цель конкурса — выявление инновационных продуктов и технологий и содействие их внедрению на строительном рынке Санкт-Петербурга;

Designers Club – дискуссионная площадка для дизайнеров и архитекторов;

Design&Decor School — интенсивный курс для декораторов и дизайнеров;

битва технологий—соревновательныепрезентациикомпанийв защитусвоейпродукцииитехнологий.

Подробнее см. на сайте выставки: https://www.interstroyexpo.com/ru-RU.

55

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.25987/VSTU.2019.53.1.005

УДК 691.168

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЮ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ПРИ ПРИМЕНЕНИИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОНЕНТОВ В СОСТАВЕ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ*

В. В. Ядыкина 1, А. Е. Акимов 2, С. С. Тоболенко 3

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова 1, 2, 3 Россия, г. Белгород

1Д-р техн. наук, проф. кафедры автомобильных и железных дорог, тел.: (4722)54-90-44, e-mail: vvya@intbel.ru

2Канд. техн. наук, инженер-исследователь Центра высоких технологий, тел.: +7-915-570-63-18,

e-mail: akimov548@gmail.com

3 Инженер кафедры автомобильных и железных дорог, тел.: +7-952-437-14-04, e-mail: tobolenko-ss@yandex.ru

Постановка задачи. Асфальтобетонное покрытие является важнейшим элементом автомобильной дороги, который обеспечивает заданный уровень безопасности движения и остальных транспорт- но-эксплуатационных параметров. Пластические деформации являются наиболее серьезными дефектами, которые могут привести к выходу покрытия из строя. Поэтому при выборе компонентов щебеночно-мастичной смеси основным критерием, помимо технических требований, установленных нормативными документами, должен быть максимальный срок службы покрытия до появления на нем критических деформаций.

Результаты. Для оценки срока службы покрытия были выбраны составы щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей с различными стабилизирующими добавками: Viatop-66 в контрольной смеси, целлюлозно-бумажными отходами с органическим вяжущим и минеральным наполнителем из известняка, отходами мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов с активацией и без нее. Установлено, что применение в качестве стабилизирующей добавки целлюлозно-бумажного волокна с минеральными наполнителем из известняка и механоактивированного отхода мокрой магнитной сепарации приводит к уменьшению пластической колеи по сравнению с контрольным образцом.

Выводы. Результаты исследований показали возможность увеличения срока службы покрытия автомобильной дороги по критерию накопления пластической деформации при применении стабилизирующей добавки на основе целлюлозно-бумажного волокна с минеральными наполнителем по сравнению с традиционным составом.

Ключевые слова: стабилизирующие добавки, щебеночно-мастичный асфальтобетон, колееобразование, пластические деформации, срок службы покрытия.

Введение. Асфальтобетонное покрытие обеспечивает заданные транспортноэксплуатационные показатели автомобильной дороги, безопасность движения, удобство и комфорт при движении. Наибольшее влияние на вышеуказанные параметры оказывают продольная и поперечная ровность покрытия.

Возникающие дефекты покрытия можно разделить на несколько групп по причинам их образования [10]:

1. Пластические деформации. Образуются по причине недостаточной жесткости и теплостойкости асфальтобетонной смеси. Под действием осевой нагрузки нарушается попереч-

© Ядыкина В. В., Акимов А. Е., Тоболенко С. С., 2019

*Работа выполнена в рамках программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В. Г. Шухова. Грант № А-88/17 от 27.04.2017 «Разработка и исследование свойств энерго- и ресурсоэффективных органоминеральных композитов».

56

ная ровность и образуется колейность, при воздействии тангенциальных усилий на участках интенсивного торможения образуются продольные деформации — волны и наплывы;

2. Абразивный износ. Возникает вследствие износа асфальтобетонного покрытия под действием сил трения и воздействия шипованных шин.

Наиболее опасным дефектом, приводящим к выходу из строя покрытия, являются пластические деформации [7]. Развитие данного вида дефекта трудно спрогнозировать. Известно, что образование колеи значительной глубины возможно даже в первые годы эксплуатации.

Распоряжением Росавтодора № ОС-441-р от 17.05.2002 утверждены следующие допустимые показатели колееобразования на асфальтобетонных покрытиях, представленные в табл. 1 [6].

Полученные расчетные значения параметров и глубины колеи сопоставляют с их допустимыми и предельно допустимыми величинами, значения которых определены из условия обеспечения безопасности движения автомобилей на мокром покрытии со скоростью ниже расчетной на 25 % для допустимой глубины колеи и на 50 % для предельно допустимой глубины колеи, а также с учетом влияния колеи на условия очистки покрытия от снежных отложений и борьбы с зимней скользкостью.

В последние десятилетия для устройства верхних слоев дорожных покрытий неуклонно увеличивается доля применения щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей [4, 12, 14, 16, 18, 20].

Опыт эксплуатации и проведенные исследования показывают, что основными эксплуатационными и функциональными преимуществами покрытий из щебеночномастичного асфальтобетона (ЩМА) по сравнению с покрытиями из обычного асфальтобетона являются высокая стойкостью к колееобразованию и долговечность дорожного покрытия [7, 9, 12, 16]. Это в первую очередь обусловлено жесткой каркасной структурой, которая обеспечивает передачу нагрузки с поверхности в нижележащие слои через непосредственно контактирующие друг с другом отдельные крупные частицы каменного материала. С другой стороны, в состав ЩМА входят волокнистые стабилизирующие добавки [1, 3, 5, 11], которые в разной степени структурируют битум и могут оказывать положительное влияние на устойчивость к колееобразованию. Исходя из этого закономерно предположить, что стабилизирующие добавки с большим структурирующим эффектом будут способствовать повышению колееустойчивости ЩМА [15]. Однако в литературе этой проблеме не уделено должного внимания.

1. Подбор состава стабилизирующей добавки и проведение экспериментальных исследований колееобразования. В результате проведенных исследований [8, 17, 19] были разработаны составы стабилизирующих добавок, включающие органическое вяжущее и структурообразователь из целлюлозно-бумажных отходов. В качестве органического вяжущего использовали битумную эмульсию, в качестве структурообразователя — волокна из картона, ватмана и газеты. Дополнительно стабилизатор включал наполнитель из известняка или отходов мокрой магнитной сепарации (ММС). Установлено, что разработанные добавки не уступают традиционному стабилизатору Viatop-66. Наибольшее положительное влияние

57

Научный журнал строительства и архитектуры

на физико-механические характеристики ЩМА оказали стабилизирующие добавки, содержащие волокна из картона и механоактивированного порошка из отходов ММС. Составы исследуемых стабилизирующих добавок приведены в табл. 2.

Исходя из результатов проведенных ранее исследований можно предположить, что использование разработанных стабилизаторов будет способствовать получению ЩМА, обладающего высокой устойчивостью к образованию колеи, так как установлено, что добавки № 6 и № 12 обладают большим структурирующим эффектом по отношению к битуму, чем традиционный Viatop. Для подтверждения данной гипотезы были исследованы образцы ЩМА на колееобразование. Применялась малая установка колееобразования InfraТest 204000. Испытания проводились в воздушной среде при температуре 50 0С с воздействием на неподвижные образцы плиты обрезиненного (деформируемого) колеса под нагрузкой. В процессе испытания фиксировалась глубина образования колеи при каждом проходе нагруженного колеса, что позволило не просто оценить конечную глубину колеи, но и оценить динамику ее развития.

2. Оценка влияния разработанных стабилизирующих добавок на стойкость к об-

разованию колеи. Результаты испытаний образцов ЩМА с различными стабилизирующими добавками приведены на рисунке.

Рис. Экспериментальные зависимости изменения глубины колеи для образцов ЩМА на различных видах стабилизирующих добавок

58

Минимальные значения глубины колеи показали образцы ЩМА с применением стабилизирующих добавок как на основе свежеизмельченных отходов ММС, так и известнякового наполнителя. Анализ полученных результатов показал, что при 20000 проходов колеса глубина колеи на образце ЩМА с использованием указанных добавок составила 3,0 и 4,3 мм соответственно, значения которых ниже, чем при использовании импортной добавки Viatop-66.

В процессе образования колеи наблюдаются три характерных этапа: доуплотнение, ползучесть и разрушение. Доуплотнение проявляется до 1500 проходов колеса, ползучесть — от 1500 до 16500, разрушение — 16500 и более.

При испытании образцов с применением большинства методов проявляются только первые два этапа, которые тесно связаны с реальными процессами образования колеи в покрытии. Третий этап характерен для процесса разрушения структуры асфальтобетона за счет увеличения объема при деформировании зернистых сред.

Этапы доуплотнения и ползучести зависят от ряда свойств асфальтобетона. Так, глубина колеи по завершении этапа доуплотнения сильно зависит от остаточной пористости материала, а уклон кривой образования колеи на участке ползучести зависит от структурированности вяжущего, гранулометрического состава, степени окатанности зерен и т. д. [13].

Из представленных данных видно, что этап доуплотнения асфальтобетонной смеси с применением различных добавок имеет аналогичный характер, что свидетельствует об однородности гранулометрического состава исследуемых композитов. Более того, полученные результаты коррелируют с остаточной пористостью асфальтобетонных образцов.

Рассматривая зависимость изменения глубины колеи от числа проходов колеса, необходимо проанализировать уклон кривых колееобразования после 5000 и 10000 циклов нагрузки образцов ЩМА с использованием различных стабилизаторов в соответствии с формулой (1). Значения уклонов кривых колееобразования представлены в табл. 3.

где wtsAIR — уклон кривой колееобразования на 10000 циклов нагрузки, определенный на воздухе, мм; d10000, d5000 — глубина колеи после 5000 и 10000 циклов нагрузки соответственно, м.

Введение коэффициента, характеризующего уклон кривой колееобразования, позволяет комплексно оценить свойства асфальтобетона, влияющие на способность сопротивляться колееобразованию, учитывая как этап доуплотнения, так и этап, на котором образование колеи характеризуется кривой ползучести.

Так, минимальный уклон зафиксирован на образцах ЩМА с использованием добавок, одним из компонентов которых выступал наполнитель из известняка и активированных отходов ММС (составы № 12 и № 6 соответственно). Применение в составе органоминерального композита стабилизатора на основе порошка ММС в стабильном состоянии привело к получению коэффициента, аналогичного для ЩМА на импортном аналоге Viatop. При использовании добавки без наполнителя наблюдается максимальное значение коэффициента, характеризующего уклон кривой колееобразования образца ЩМА.

Равномерное увеличение колеи на всем протяжении испытаний на этапе ползучести наблюдается при использовании традиционной добавки Viatop и состава № 12. При исполь-

59