3689

IMPROVING THE STRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES

OF WARM ASPHALT CONCRETE

BY THE METHOD OFPOLYMER-DISPERSE REINFORCEMENT

A. Alshahwan 1, Yu. I. Kalgin 2

Voronezh State Technical University 1, 2

Russia, Voronezh

1РhD student of the Dept. of Design of Construction and Operation of Highways, e-mail: alaaalaash@yahoo.com

2D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Construction and Operation of Highways, e-mail: kalgin36@yandex.ru

Statement of the problem. The problem of improving the structural and mechanical properties of warm asphalt concrete using the method of polymer-dispersed reinforcement is considered. The effect of the dosage of the RTEP-M modifier in the mineral part of the mixture on the structural and mechanical prop-

erties of warm mix asphalt (WMA) was studied.

Results. By preparing warm mix asphalt with a mixing and molding samples at a temperature of 110-120 °C with the RTEP-M modifier at a ratio of 0.5; 1.0; 1.5 and 1.75% of the mineral part and control mixtures, the effect of the modifier dosage on the structural and mechanical properties of WMA was studied. By testing the samples, the compressive strength of warm asphalt concrete at temperatures of 0, 20 and 50 °C was determined, as well as the indicators of average density, water saturation and water resistance.

Conclusions. The effectiveness of the application of the method of polymer-dispersed reinforcement to improve the structural and mechanical properties of warm concrete asphalt has been proven. It is shown that the addition of the RTEP-M modifier to the mineral part of the warm mix asphalt improves the strength characteristics of the asphalt concrete. It has been established that by applying the method of polymer-dispersed reinforcement, it is possible to optimize the properties of warm asphalt concrete for its use in cold or hot climatic conditions within the limits of indicators permissible according to the requirements of regulatory documents.

Keywords: warm mix asphalt, warm asphalt concrete, modifier, polymer-dispersed reinforcement, RTEP-M, structural and mechanical properties.

61

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.36622/VSTU.2021.61.1.006 УДК 625.7/8

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕМОНТА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ НЕЖЕСТКОГО ТИПА

С ПРИМЕНЕНИЕМ ХОЛОДНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

А. Ф. Зубков 1, К. А. Андрианов 2, Б. Бехзоди 3

Тамбовский государственный технический университет1, 2, 3 Россия, г. Тамбов

1Д-р техн. наук, проф. кафедрой городского строительства и автомобильных дорог, e-mail: afzubkov2013@yandex.ru

2Канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой городского строительства и автомобильных дорог, e-mail: konst-68@yandex.ru

3Аспирант кафедры городского строительства и автомобильных дорог

Постановка задачи. Необходимо рассмотреть технологию ремонта дорожных покрытий нежесткого типа с применением холодных асфальтобетонных смесей на битумах марок БНД, СГ и МГ. Требуется разработать математическую модель конструкции автомобильной дороги, позволяющую демонстрировать распределение температуры по толщине слоя покрытия в зависимости от конструктивных параметров дороги с учетом теплофизических свойств материалов и температурных условий её эксплуатации. Также надлежит уточнить влияние температуры смеси на предел прочности холодной смеси заводского производства. Следует провести ремонт выбоин покрытия в производственных условиях при пониженных температурах воздуха.

Результаты. По результатам моделирования распределения температуры в слое покрытия доказано, что применение холодных асфальтобетонных смесей обеспечивает высокое качество ремонтных работ при температуре воздуха выше 30 °С. Получены данные о зависимости температуры нагрева основания от температуры воздуха и толщины слоя, которая обеспечивает температурные режимы холодной смеси при её уплотнении. Установлено, что предел прочности покрытия зависит от температуры. Максимальная величина предела прочности холодного асфальтобетона заводского производства обеспечивается при температуре уплотнения смеси 50-55 °С. Проведенный ремонт выбоин дорожного покрытия при пониженных температурах воздуха доказал возможность выполнения ремонтных работ с высоким качеством в данных производственных условиях.

Выводы. Доказана эффективность нагрева основания выбоины перед укладкой холодной асфальтобетонной смеси при ремонте дорожных покрытий нежесткого типа со снижением температуры воздуха ниже 5 °С. Установлено влияние температуры основания покрытия на ее равномерное распределение в зависимости от температуры воздуха и толщины слоя покрытия при выполнении ремонтных работ. Полученные данные о зависимости предела прочности холодного асфальтобетона заводского производства от температуры воздуха позволяет определять параметры уплотняющих машин, обеспечивающих высокое качество ремонтных работ.

Ключевые слова: холодная асфальтобетонная смесь, нагрев основания, температура, уплотнение.

Введение. Актуальной задачей при содержании автомобильных дорог является обеспечение безопасности движения транспортных средств в течение всего года, что связано с устранением разных дефектов, возникающих от условий эксплуатации и воздействия больших транспортных нагрузок. Наиболее распространенным видом повреждения дорожного покрытия является образование выбоин, которые возникают из-за нарушений технологии строительства и влияния погодных условий. Особенностью проведения ремонтных работ дорожных покрытий является их необходимость в любое время года независимо от внешних факто-

© Зубков А. Ф., Андрианов К. А., Бехзоди Б., 2021

62

ров. Качество работ зависит от принятой технологии ремонта, погодных условий, используемых материалов и средств механизации [2-4, 15-17, 19, 20]. При строительстве дорожных покрытий нежесткого типа в качестве ремонтного материала употребляются асфальтобетонные смеси. Применение данных материалов с использованием битумов требует соблюдения температурных режимов, а именно наличия положительной температуры воздуха при укладке и уплотнении слоя покрытия. Нарушение температурных режимов при производстве работ приводит к значительному снижению срока службы дорожного покрытия, что влечет за собой дополнительные затраты для обеспечения безопасности движения транспортных средств.

Целью исследования является изучение методов повышения качества ремонта дорожных покрытий нежесткого типа с применением холодных асфальтобетонных смесей.

1. Анализ существующих методов ямочного ремонта дорожных покрытий нежест-

кого типа. В зависимости от условий эксплуатации дороги применяются разные технологии устранения дефектов дорожного покрытия. Для аварийного ремонта допускается применение различных методов и материалов, способных обеспечить временную безаварийную эксплуатацию автомобильной дороги.

Для ремонта дорожных покрытий в основном используются горячие асфальтобетонные смеси [2-5]. Принятыми нормативными документами установлено, что употребление таких материалов возможно при температуре окружающего воздуха не ниже 5 С.

При осуществлении ямочного ремонта широко используются холодные асфальтобетонные смеси. Холодный асфальт на жидком битуме применяют для ремонта выбоин автомобильных дорог низких категорий. На модифицированном жидком битуме также возможно устройство асфальтобетонных покрытий [6, 9, 10].

Нормативным документом ПНСТ 362-2019 определены области применения холодных асфальтобетонных смесей для устройства дорожных покрытий. Использование жидких органических вяжущих марок СГ, МГ и МГО по ГОСТ 11955 или модифицированных жидких битумов с условной вязкостью, соответствующих ГОСТ 11955, позволяет сохранять рабочую температуру смеси при устройстве покрытия без существенной потери своих характеристик, что дает возможность смеси находиться в рыхлом состоянии более длительный период времени [9, 10]. Эти свойства позволяют заготавливать смеси заранее небольшими партиями мелкой распасовки. Они не требуют применения специализированного транспорта и позволяют оперативно выполнять ямочный ремонт покрытия. Работы необходимо выполнять, когда отсутствуют атмосферные осадки, и среднесуточная температура окружающего воздуха находится не выше -10 C. Смесь при хранении не слеживается, поэтому отсутствуют ограничения на время укладки и уплотнения уже уложенной смеси. Использование добавок при приготовлении смесей позволяет выполнять ремонтные работы при более низких температурах воздуха.

К недостаткам применения холодного асфальтобетона относится следующие его низкие характеристики: прочность, водостойкость и сопротивляемость сдвиговой нагрузке. В связи с этим применение такого материала в зоне пешеходных переходов, перекрестков и автобусных остановок для ремонта автомобильных дорог не допускается. Холодный асфальт имеет более высокую стоимость по сравнению с материалами на основе горячих асфальтобетонных смесей. Однако при выполнении незначительных объемов работ или ямочного ремонта дорожных покрытий экономия средств возможна за счет сокращения трудовых и технических ресурсов. Технико-экономическое сравнение различных технологий производства ямочного ремонта показало, что стоимость 1 м2 ремонтируемой поверхности покрытия при использовании холодных асфальтобетонных смесей сравнима со стоимостью применения асфальтобетонных горячих смесей [6].

При выполнении ремонтных работ применяют также холодные битумосодержащие смеси и материалы на основе жидких или разжиженных битумов (ЭМС, ВОМС). В качестве

63

Научный журнал строительства и архитектуры

вяжущего материала применяют битумную эмульсию. Использование таких материалов неэффективно при низкой температуре воздуха из-за наличия в битумной эмульсии воды. Кроме того, максимальная прочность данных материалов ниже прочности холодного и горячего асфальтобетонов. Данные смеси рекомендуется использовать для ямочного ремонта дорожных покрытий на автомобильных дорогах III–V категорий.

2. Исследование распределения температуры по толщине слоя выбоины при вы-

полнении ремонтных работ. Конструкцию автомобильной дороги можно представить в виде модели с уложенными слоями системой дифференциальных уравнений в частных производных:

для верхнего слоя из асфальтобетона:

t1 / 1 / c1 1 2t1 / x2 2t1 / y2 2t1 / z2 ;

для нижнего слоя из асфальтобетона:

t2 / 2 / c2 2 2t2 / x2 2t2 / y2 2t2 / z2 ;

для основания:

где x, y, z – координатные оси; λ1-5 – коэффициент теплопроводности, Вт/кг∙град; с1-5 – удельная теплоемкость, Дж/кг∙град; γ1-5 – объемная плотность, кг/м3; t1-5 – температура слоя; τ - время, с.

Представленная выше модель, учитывающая физико-механические и теплофизические характеристики материалов, характеризует процесс нестационарной теплопроводности в слоях конструкции, расположенных на бесконечной полуограниченной стенке из однородного материала.

На основании экспериментальных данных установлено, что температура одного слоя смеси и ее распределение в нижележащих слоях имеет одинаковое значение в двух плоскостях (х; z) и меняется по времени в одной плоскости (y). Следовательно, решение данной задачи сводится к решению плоской задачи. Систему уравнений можно представить в виде:

где t1, t1', t2, t2', t3, t3', t4, t4', t5, t5' – температура на поверхности и в глубине слоя дорожной конструкции, град; е – основание натурального логарифма; h – толщина слоя дорожной одежды.

64

Граничные условия приняты с учетом следующих допущений:

соблюдается условие конвективного теплообмена на границе верхнего слоя с окружающей средой:

соблюдается условие равенства тепловых потоков на границах слоев:

0; i 1, 2,3, 4,5

соблюдается условие бесконечности, ограничивающее температуру в полупространстве:

где hi – толщина слоев конструкции дорожной конструкции, м; τ – время, с; tосн – температура грунта на заданной глубине, град; t(0;τ) – температура смеси в момент уплотнения, град; α – суммарный коэффициент теплоотдачи, величина которого определяется [13]:

где αизл – коэффициент теплоотдачи смеси за счет теплового излучения, зависящий от температуры окружающего воздуха и смеси; αк – коэффициент теплоотдачи смеси за счет конвективного обмена с окружающей средой.

С учетом данных, представленных в работе [13], значения коэффициентов определяются по формулам:

где tсм и tвозд – температура смеси и воздуха, С; V – скорость ветра, м/с.

В работе [4] установлено, что удельная теплоемкость каменных материалов в два раза ниже, чем у битума. Значения коэффициентов удельной теплоемкости (Суд) и теплопроводности (λ) асфальтобетонной смеси зависят от температуры, плотности, процентного содержания щебня и могут быть определены согласно [5] из выражений:

где t – температура асфальтобетонной смеси, С; γ – плотность асфальтобетонной смеси, т/м3; щ – процентное содержание щебня в асфальтобетонной смеси, %.

Установлено, что максимальная эффективность процесса уплотнения обеспечивается в диапазоне динамической вязкости смесей от 10 до 25 Па, что соответствует температурному интервалу смеси в зависимости от марки битума в пределах от 40 до 65 С [4]. На основе экспериментальных данных установлено, что для асфальтобетонных смесей с битумами марки СГ 130-200 оптимальная температура при уплотнении находится в пределах 42-55 С, для БНД 200-300 соответственно 55-65 С и МГ70-130 – 40-60 С. Следовательно, зная температурные интервалы, учитывая тип применяемой смеси и марку битума, можно прогнозировать качество ремонтных работ при условии использования необходимых средств механизации.

Технология производства работ с применением холодной асфальтобетонной смеси регламентирована СТО НОСТРОЙ 2.25.40-2011 (часть 5), в котором говорится, что температура

65

Научный журнал строительства и архитектуры

смеси при укладке равна температуре окружающего воздуха, но должна быть не ниже 5 °С при условии положительной температуры основания. При положительной температуре воздуха холодная асфальтобетонная смесь укладывается на подготовленное основание выбоины с последующим уплотнением катком или вибрационной плитой. В процессе эксплуатации уложенная смесь в выбоине покрытия прогревается за счет температуры воздуха с одновременным уплотнением транспортными средствами в течение 2–3 недель.

Установлено, что нагрев поверхности асфальтобетонного покрытия при температуре воздуха свыше 20 С происходит за счет солнечной энергии [13]. В работах [4, 13] показано, что за счет нагрева основания продолжительность работ по уплотнению покрытия при температуре воздуха выше плюс 40 С учитывается коэффициентом 1,25. В работе [5] доказано, что температура основания влияет на время выполнения работ при температуре окружающего воздуха свыше 20 0С, а коэффициент влияния температуры основания на продолжительность выполнения работ можно представить в виде:

где t – разница температуры основания и окружающего воздуха, 0С.

В том случае если при укладке смесь равна температуре окружающего воздуха, то распределение температуры по толщине слоя характеризуется постоянной величиной. Исключение составляет укладка асфальтобетонной смеси при температуре воздуха выше 20 С. На рис. 1 приведены результаты расчетов распределения температуры по толщине слоя из холодной асфальтобетонной смеси при различных значениях температуры окружающего воздуха и основания выбоины с использованием автоматизированного программного комплекса [8].

Рис. 1. Распределение температуры по толщине слоя в зависимости от температуры окружающего воздуха (температура смеси соответствует температуре воздуха, толщина слоя – 0,05 м):

1 – температура воздуха 10 С; 2 – температура воздуха 20 С; 3 – температура воздуха 30 С; 4 – температура воздуха 40 С; 5 - нижняя температурная граница

Из зависимостей на рис. 1 видно, что при укладке холодной асфальтобетонной смеси с использованием битумов марок СГ 130-200, БНД 200-300 и МГ70-130 обеспечить температурные режимы асфальтобетонной смеси при ее уплотнении практически невозможно. Причем независимо от температуры окружающего воздуха, за исключением укладки при температуре воздуха 40 С, что приводит к низкому качеству ремонта дорожного покрытия. Такая технология эффективна при высокой температуре окружающего воздуха на дорогах III–IV технической категории при незначительной интенсивности движения транспорта. В то же время видно, что предварительный нагрев основания выбоины позволяет повысить качество ремонта за счет температурных режимов применяемых смесей. Исследованиями установлено, что уплотнение смесей при пониженных температурах приводит к снижению прочности покрытия на 18-20 % [12].

66

Как отмечалось ранее, для обеспечения безопасности движения транспортных средств выбоины на дорожном покрытии приходится устранять круглогодично независимо от погодных условий. При выполнении ремонтных работ с пониженными температурами воздуха требуется разработка технологического регламента. Повышение температуры основания перед укладкой холодной смеси независимо от температуры воздуха способствует повышению температуры в уложенном слое за счет перераспределения теплового потока от основания, что позволяет при соответствующем прогреве основания обеспечить требуемый температурный режим холодной смеси при уплотнении. Распределение температуры в слое при температуре воздуха -10 С и разных температурах нагрева основания представлено на рис. 2.

Рис. 2. Распределение температуры после 5 мин укладки смеси по толщине слоя

в зависимости от температуры основания:

1 – -10 0С; 2 – 0 0С; 3 - +10 0С; 4 - +20 0С; 5 - +40 0С; 6 - +60 0С; 7 - +80 0С; 8 - +100 0С; 9 - +110 0С; 10 - +120 0С; 11 - нижняя температурная граница

Из зависимостей на рис. 2 видно, что при нагреве основания до определенной температуры обеспечиваются температурные режимы смеси при её уплотнении. В [5] установлено, что расчет температурных режимов охлаждения асфальтобетонных смесей необходимо производить по средней температуре слоя, т.е. температуре смеси на расстоянии 1/3 толщины от уплотняемой поверхности.

При выполнении ремонтных работ по устранению выбоин при пониженных температурах воздуха на практике производят прогрев основания с помощью горелок, как правило, без контроля за температурой нагретого основания (рис. 3).

Рис. 3. Нагрев основания выбоины перед укладкой холодной смеси в выбоину дорожного покрытия

на автомобильной дороге в районе п. Комсомолец в Тамбовской области Фото авторов статьи

67

Научный журнал строительства и архитектуры

Применение такого метода повышения температуры основания не позволяет контролировать температуру ее нагрева, что приводит к выгоранию на поверхности вяжущего минерального материала и отрицательно сказывается на качестве ремонтных работ. В настоящее время при ямочном ремонте покрытий нежесткого типа применяют инфракрасные разогреватели с разными техническими характеристиками, позволяющими более эффективно осуществлять нагрев основания. Мощность разогревателей находится в пределах от нескольких кВт до 200кВт. Продолжительность нагрева зависит от мощности теплового потока и технологических режимов работы разогревателя [7, 18]. Продолжительность нагрева также зависит от толщины слоя, температуры асфальтобетонной смеси, мощности излучения и высоты расположения горелки разогревателя относительно поверхности. Используя данные, представленные в работе [15], по зависимости нагрева слоя асфальтобетона от влияния начальной температуры и толщины слоя и представив их в относительных величинах, получена зависимость определения времени нагрева слоя, мин:

где h – толщина нагреваемого слоя асфальтобетона, см; tсм – температура асфальтобетона до нагрева, °С. Коэффициент корреляции равен 0,99.

Мощность излучения на поверхности покрытия, кВт/м2, определяется из условия постоянного теплового потока выражением [7]:

где tn – температура нагрева, С.

Экспериментально установлено, что при постоянном тепловом потоке для горелок с керамическими насадками высота (R, м) установки горелок над покрытием определяется по

Для расчета технологических режимов разогревателя при нагреве слоя из асфальтобетона разработан автоматизированный программный комплекс [11], на основании которого определены рабочие режимы разогревателя при нагреве слоя из холодного асфальтобетона. Результаты расчетов для слоя толщиной 0,05 м представлены в табл. 1.

Из представленных данных видно, что с понижением температуры смеси затраты энергии на нагрев слоя возрастают при одновременном увеличении времени, требуемого для нагрева. В зависимости от глубины выбоины, толщина слоя холодной асфальтобетонной смеси может быть разной, что требует разной температуры нагрева слоя холодной смеси (рис. 4).

68

Рис. 4. Распределение температуры смеси в зависимости от температуры окружающего воздуха по толщине слоя (а) и по времени (б) при -10 С:

1 – толщина слоя 0,05 м; 2 – 0,1 м; 3 – нижняя эффективная температурная границ

Из зависимостей на рис. 4 видно, что увеличение толщины слоя асфальтобетонной смеси при ее укладке способствует повышению температуры по толщине слоя в течение длительного периода времени. Оно позволяет увеличить время на выполнение ремонтных работ, что подтверждается практикой. Установлено, что увеличение прогреваемой толщины слоя основания за счет накопления большего количества тепла способствует снижению температуры основания при нагреве и увеличению продолжительности выполнения работ (рис. 5).

Рис. 5. Влияние толщины слоя в зависимости от температуры окружающего воздуха

итемпературы нагрева основания на температуру нагрева (а) и продолжительность работы (б): 1 – 10 С при нагреве +155 С; 2 – 0 С при нагреве +130 С; 3 – +10 С при нагреве +110 С

(толщина слоя 0,1 м)

Влияние толщины прогреваемого слоя на температуру нагрева основания определяется по формуле:

где h – толщины прогреваемого слоя основания, м. Коэффициент корреляции уравнения ра-

вен 0,99.

На температуру нагрева основания влияет толщина слоя при укладке. На рис. 6 представлены зависимости предварительного нагрева основания перед укладкой смеси от температуры окружающего воздуха для слоев различной толщины с учетом оптимальных температур для смесей на битумах марок БНД 200-300, СГ и МГ.

Необходимая температура нагрева основания с учетом температуры окружающего воздуха и толщины слоя асфальтобетонной смеси при укладке может быть определена по формулам:

69

Научный журнал строительства и архитектуры

где tвозд – температура окружающего воздуха, С. Коэффициент корреляции уравнений ра-

вен 0,99.

Рис. 6. Зависимость температуры нагрева основания от температуры воздуха и толщины слоя выбоины:

1– 0,05 м; 2 – 0,1 м

3.Экспериментальные исследования прочности и деформации холодного асфальтобетона на битуме марки СГ 70/130 от температуры смеси. Для достижения требуемого

качества уплотнения необходимо использовать машины, у которых обеспечивается соответствие между напряжениями под рабочим органом машины и прочностными характеристиками уплотняемого материала [1, 5, 14].

В [4] установлено, что существует связь между напряжениями в зоне контакта рабочего органа уплотняющей машины и его плотностью, пористостью, прочностью и водонасыщением. Для определения предела прочности холодной асфальтобетонной смеси с учетом температуры окружающего воздуха использовалась смесь заводского изготовления производства «Австострада» (г. Екатеринбург), приготовленная с битумом марки СГ 70/130.

Испытания на прочность в зависимости от температуры смеси при изготовлении образцов проводили на прессе ИП-1А-500АБ «Универсал». Одновременно осуществлялся замер деформации образцов смеси с учетом температуры испытания. Полученные результаты представлены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость прочности (а) и деформации (б) холодного асфальтобетона от температуры смеси при формировании образцов на битуме марки СГ 70/130

На основании полученных результатов, приведенных на рис. 8, можно сделать вывод, что максимальная прочность при уплотнении обеспечивается при температуре смеси 50-55 С, что соответствует данным работы [4]. При нагреве смеси до более высокой температуры под воздействием нагрузки возникает пластическая деформация. Так как с повышением температуры холодной смеси при уплотнении деформация слоя возрастает, что

70