Учебное пособие 800467

ли дробленых зерен. Кроме того, на показатель сдвигоустойчивости асфальтобетона положительно сказывается увеличение доли минерального порошка или замена традиционного известнякового порошка на активированный. Но наиболее эффективным для повышения устойчивости асфальтобетона к пластическим деформациям является применение теплоустойчивых вяжущих, т. к. именно по причине потери битумом теплоустойчивости и снижения его вязкости в жаркие летние дни происходит резкое уменьшение сопротивления сдвигу асфальтобетона.

Для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона используется несколько методов испытаний:

—стандартный по ГОСТ 1280198 [78] метод Маршалла;

—метод сдвига, разработанный Ю. Е. Никольским, когда из цилиндрического образца асфальтобетона выдавливается его центральная часть [3];

—метод Г. Н. Кирюхина, предложившего определять значение угла внут-

реннего трения и сцепления по результатам испытания образцов на сжатие и по методу Маршалла [3, 39].

В практических целях более сдвигоустойчивые составы асфальтобетона

косвенно можно охарактеризовать наиболее низким значением коэффициента теплоустойчивости, который равен отношению R0/R50 или R20/R50.

Температурные трещины в асфальтобетонном покрытии появляются по причине возникновения сильных растягивающих напряжений при быстром охлаждении покрытия зимой. При отрицательных температурах структурированный битум в асфальтобетоне становится хрупким, при этом резко снижается его возможность деформироваться под влиянием транспортных нагрузок и температурных напряжений. Для повышения прочности асфальтобетона на растяжение и трещиностойкости покрытия при низких температурах можно применять менее вязкие дорожные битумы, но это будет способствовать снижению сдвигоустойчивости асфальтобетона в летний период. Наиболее эффективно для повышения деформативности асфальтобетона при низких зимних температурах

применять битумы, модифицированные полимерными материалами.

По действующему ГОСТ 9128-97 трещиностойкость асфальтобетона косвенно характеризуется показателем предела прочности при сжатии при 0 ºС не

более установленной величины в зависимости от марки асфальтобетонной смеси и дорожно-климатической зоны России, в которой происходит строительство покрытия.

Выбоины на дорожных покрытиях появляются в основном по окончании зимнего периода, когда вода многократно замерзает при знакопеременных температурах и совместно с динамической транспортной нагрузкой постепенно разрушает материал с выкрашиванием минеральных зерен, что заканчивается образованием сначала мелких, а потом и более глубоких выбоин. Повышение износостойкости покрытия возможно за счет улучшения адгезионных свойств битума к минеральным зернам, применения мытых минеральных материалов или с минимальным содержанием пылеватых и глинистых частиц, тщательного

51

тума и в дальнейшем контакт между минеральными частицами происходит по слою оболочки из асфальтено-смолистой части битума. Такие слои битумных пленок наиболее стабильны в отношении возможных их изменений от температуры и обеспечивают прочные структурные связи в асфальтобетоне. Вышеуказанное может наблюдаться и при менее активной или битумофобной поверхности, но обязательно при наличии микропористой и микро трещиноватой структуре частиц вследствие инфильтрации мальтеновой части битума в глубь их. Наибольшая адсорбция мальтеновой части битума происходит при размере пор минеральных частиц в пределах 300—500 ангстрем [59]. На плотных и нешероховатых минеральных частицах с битумофобной поверхностью битумные пленки состоят из почти неизменного по составу битума. Поэтому структурные связи в асфальтобетоне с минеральным порошком с битумофобной поверхностью более чувствительны к воздействию температуры. Однако и в этом случае минеральный порошок оказывает положительное влияние на структуру и свойства асфальтобетона, так как является мелким заполнителем для тех пор в минеральном остове, которые не заполнены песком.

Выполнен большой объём исследований о взаимосвязи свойств битумов и асфальтобетонов на их основе [1, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 29, 30, 31, 52, 62, 67], в ходе

которых было установлено, что свойства битумов обусловливают реологический характер деформирования асфальтобетона в дорожном покрытии и такие свойства асфальтобетонного покрытия, как сдвигоустойчивость, трещиностойкость, износостойкость.

Исследованиями А. В. Руденского [8, 65, 66, 67] было установлено, что в процессе эксплуатации асфальтобетона в дорожном покрытии основные параметры свойств материала претерпевают как обратимые, так и необратимые изменения, связанные с колебаниями температуры, процессами старения и усталости асфальтобетона и другими факторами. Указанными исследованиями было установлено, что значения модуля упругости асфальтобетона могут изменяться в десятки раз, а значения вязкости в тысячи раз в зависимости от режима воздействия эксплуатационных нагрузок, что обусловлено изменением структуры и показателей свойств битумов в асфальтобетоне.

Рассмотрим взаимосвязь между важнейшими строительно-эксплуа- тационными свойствами асфальтобетона в покрытии и свойствами битумов.

Применение теплоустойчивых битумов является главным фактором повышения сдвигоустойчивости асфальтобетона. Теплоустойчивые битумы отличаются тем, что они в меньшей степени подвержены изменению показателей вязкости и когезии в диапазоне эксплуатационных температур. Показатель вязкости достаточно полно характеризует и реологические свойства битума. В практических целях вязкость характеризуют условным показателем — глубиной проникания иглы для вязких битумов и временем истечения для жидких битумов. В практике дорожной отрасли для более полной оценки вязкости битума при высокой температуре используют показатель температуры размягчения, который характеризует переход битума из вязко-пластичного состояния в вязкое.

53

Трещиностойкость асфальтобетонов на вязких битумах определяется упруго-вязкими свойствами битумов, степенью их стабильности при эксплуатации в покрытии. Упруго-вязкие свойства характеризуются вязкостью битума при низких температурах, которую при 0 °С оценивают глубиной проникания иглы, а при отрицательных температурах проводят по параметру температуры хрупкости по Фраасу, которая характеризует переход битума в упругохрупкое состояние. Дополнительной характеристикой упруго-вязких свойств битума является его растяжимость, определяемая на дуктилометре. Многолетние исследования показывают, что с понижением вязкости и увеличением растяжимости битума повышается деформативность асфальтобетона, в связи с чем в ГОСТ 9128-97 [76] включены рекомендации по применению в первой и второй дорожно-климатических зонах России менее вязких битумов марок БНД (БН) 130/200 и, соответственно, БНД (БН) 90/130. Для более теплых третьей и четвертой дорожно-климатической зоны исходя из выше указанных соображений рекомендуется применение более вязких битумов марок БНД (БН) 60/90 и соответственно БНД (БН) 40/60.

Износостойкость асфальтобетона зависит в основном от адгезионных свойств битумов к минеральным материалам и устойчивости этих свойств во времени. Адгезионные свойства битумов являются одним из важнейших условий, обеспечивающих прочное и устойчивое сцепление битума с минеральными материалами. Это является необходимым условием для получения долговечных и водоустойчивых асфальтобетонов. Состав и физико-химические свойства битума почти в абсолютной мере определяют водо- и морозостойкость асфальтобетона.

На основании большого количества исследований [2, 3, 6, 7, 8, 44, 45] и значительного опыта применения были сформулированы основные требования, предъявляемые к битуму, как органическому вяжущему материалу в асфальтобетоне:

-битум должен обладать высокими адгезионными свойствами к минеральным материалам. Функции битума как органического вяжущего материала заключаются в том, чтобы обеспечивать роль связывающего элемента в асфальтобетоне, образуя в смеси с минеральными материалами прочную монолитную структуру. Недостаточные адгезионные свойства вяжущего являются причиной низкой износостойкости асфальтобетона, что приводит к образованию выбоин, шелушению и быстрому износу покрытия;

-битум должен обладать необходимой теплостойкостью и деформативными характеристиками во всем годовом диапазоне температур, который мо-

жет достигать 100 °С и более, поскольку покрытие в жаркий летний период разогревается до 60—70 ° С, а в зимнее время охлаждаться до -30… -40 °С. Не-

достаточная теплостойкость и деформативные характеристики вяжущего в асфальтобетоне приведут к образованию в летнее время пластических деформаций — колей, волн, сдвигов, а в зимнее время температурных трещин на покрытии автомобильной дороги;

54

- битум должен обладать стабильностью свойств во времени, т. е. в течение всего срока эксплуатации в покрытии быть устойчивым к старению под воздействием климатических факторов.

Проанализируем, как дорожный битум справляется с указанными задачами. Механизм образования адгезионных связей определяется рядом факторов, наиболее значимым из которых является фактор химического взаимодей-

ствия между кислотными и щелочными компонентами битума и минеральным материалом. Химическими компонентами битума, обеспечивающими адгезионные свойства, являются нафтеновые углеводороды, обладающие природной кислотностью (анионоактивностью). Поэтому битум обладает, как правило, хорошей адгезией к поверхности минеральных материалов основных пород, имеющих щелочной характер. Материалы, имеющие кислую поверхность, например кварцевые пески и гранит, не образуют устойчивых связей с функциональными группами анионного типа битума. В присутствии воды углеводородные молекулы ионизируются, и пленки битума приобретают отрицательный заряд, что еще более ослабляет связи битума с материалами, имеющими кислую поверхность. Такая химическая несовместимость битума с кислым каменным материалом при воздействии воды в процессе эксплуатации битумоминерального материала в покрытии может приводить как к полному, так и частичному отслаиванию пленок вяжущего с минеральной поверхности [2].

Рассмотрим, как битум справляется со второй задачей — обеспечением прочностных и деформативных характеристик битумоминерального материала во всем диапазоне эксплуатационных температур. При высоких положительных температурах окружающей среды битум является недостаточно теплоустойчивым, что приводит к формированию пластических деформаций на асфальтобетонных покрытиях. Нормированная ГОСТ 22245-90 температура размягчения вязких битумов находится на уровне 35—51 °С (в зависимости от марки), что является явно недостаточным для обеспечения требуемой устойчивости асфальтобетона против образования пластических деформаций.

При низких отрицательных температурах, до -30…-40 °С в зимнее время, битумы становятся хрупкими. Так, например, если действующий ГОСТ 22245-90 допускает применение битума марки БН 60/90 с температурой хрупкости по методу Фрааса до -6 °С и ненормированной растяжимостью при 0 °С, то, очевидно, такой битум не в состоянии обеспечить требуемую трещиностойкость асфальтобетонного покрытия. При многократном воздействии динамических нагрузок, температурных перепадах в условиях увлажнения, замораживания и оттаивания на асфальтобетонном покрытии образуются хорошо видимые температурные трещины, а также микротрещины в битумных пленках в объеме асфальтобетона. Это приводит к нарушению монолитности слоя покрытия, что облегчает доступ воды в поры и микропоры асфальтобетона, и в дальнейшем к развитию повреждений покрытия в виде выкрашивания и выбоин. Это является одной из основных причин снижения сроков службы асфальтобетонных покрытий.

55

Таким образом, битум недостаточно теплоустойчив и трещиностоек, чтобы обеспечить требуемую долговечность асфальтобетонных покрытий.

Проанализируем, как битум сохраняет свои свойства во времени, т. е. насколько битум устойчив к старению под воздействием технологических и эксплуатационных факторов. Битумы, выпускаемые на нефтеперерабатывающих заводах России, относятся к окисленным и характеризуются недостаточной устойчивостью к старению, что объясняется, в первую очередь, особенностью технологии их производства. Технологические операции по приготовлению асфальтобетонных смесей, проводимые при высоких температурах и свободном доступе воздуха, приводят к изменению структуры и свойств битума в результате реакций окислительной полимеризации и конденсации. При воздействии технологических температур в процессе приготовления и при транспортировке асфальтобетонных смесей, а также последующей эксплуатации в покрытии такой битум быстро стареет, что приводит, прежде всего, к формированию в нём жесткой коагуляционной сетки асфальтенов и, как следствие, повышению хрупкости битумных пленок. Это ускоряет процесс развития повреждений на асфальтобетонных покрытиях, обусловленных разрушением битумных пленок в асфальтобетоне за счет возникновения локальных перенапряжений.

Из приведенного анализа следует, что для повышения качества битумов, применяемых в дорожном строительстве, необходимо:

-значительное понижение температуры хрупкости вяжущего до температур, как минимум, -25….-30 °С. Температура хрупкости вяжущего должна быть не выше зимних расчетных температур покрытия с тем, чтобы при достижении этих температур битумная пленка не становилась бы хрупкой;

-повышение растяжимости вяжущего, особенно при низких температурах. Следует стремиться к более высоким значениям указанного показателя с тем, чтобы при наиболее холодной температуре воздуха вяжущее сохраняло бы необходимую работоспособность;

-повышение теплостойкости вяжущего. Температура размягчения вяжущего должна быть не ниже значений, необходимых для обеспечения требуемой теплостойкости и сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия;

-улучшение адгезионных свойств, особенно к минеральным материалам кислых пород. Адгезионные свойства вяжущего должны быть такими, чтобы обеспечить необходимую длительную водостойкость асфальтобетона;

-повышение стабильности свойств вяжущего во времени с тем, чтобы обеспечить длительную эксплуатацию асфальтобетона или другого битумоминерального материала в покрытии.

Применяемые в настоящее время традиционные технологии получения окисленных битумов на нефтеперерабатывающих заводах России не позволяют обеспечивать массовое производство битумов с необходимыми качественными характеристиками, требуемыми для обеспечения качества асфальтобетона. Поэтому основным направлением получения высококачественных дорожных асфальтобетонов, обладающих повышенными эксплуатационными показателями,

56