книги из ГПНТБ / Гезенцвей, Лев Борисович. Дорожный асфальтовый бетон

горных пород, хорошо взаимодействующих с битумом, сообща­ ют асфальтовому бетону более высокие показатели механичес­ кой прочности. Гидрофильные каменные материалы дают, как правило, более низкие показатели прочности. Особенно это относится к минеральному порошку.

Асфальтовые бетоны,. содержащие в качестве скелетной основы щебень,

являются более прочны­ ми, чем песчаный асфаль­

товый бетон. Однако пра­

вильным подбором соста­

плотмость, которая зави­

сит от плотности мине­ ральной смеси, количест­ ва битума и степени

уплотнения.

Плотность смеси опре­ деляется зерновым соста­ вом минеральных частиц,

т. е. соотношением коли­

смеси оказывает также пористость применяемого минерально­ го порошка.

Наибольшая плотность смеси характеризуется наибольшим

объемным весом.

Для получения наибольшей плотности, а следовательно, и

наибольшей прочности асфальтового бетона нужно, чтобы в смеси содержалось определенное количество битума. Кроме то-

го, необходимо, чтобы асфальтобетонная смесь получила над­ лежащее уплотнение. Совершенно очевидно, что без должного

уплотнения любая смесь окажется недостаточно плотной. На рис. 18. представлена зависимость прочности и водонасыщае-

мости асфальтобетонных образцов от степени уплотнения на

гидравлическом прессе (по данным Л. Б. Мурзаевой).

Интенсивность изменений указанных свойств будет различ­ ной в зависимости от содержания битума.

Наличие в асфальтовом бетоне гладких окатанных зерен гравия, морского или речного песка снижает его механическую прочность. Но отметим попутно, что такие материалы, умень­ шая величину внутреннего трения, придают асфальтобетонной смеси большую подвижность, а следовательно, и повышенную удобообрабатываемость. В плотной минеральной смеси, состоя­

щей из остроугольных частиц, увеличивается суммарная пло­ щадь соприкасания отдельных зерен между собой, благодаря чему повышаются внутреннее трение и в конечном счете меха­ ническая прочность.

Применение более .вязкого битума увеличивает механиче­

скую прочность асфальтового бетона, и наоборот. .

Влияние вязкости битума на прочность песчаного асфальто­ вого бетона иллюстрируется данными табл. 17. Во всех случаях приняты одинаковый состав минеральной смеси и одинако­ вое количество битума, которое, как это видно из приведенных данных, оказалось несколько завышенным.

Таблица 17 Зависимость физико-механических свойств песчаного асфальтового бетона

Свойства битума

Свойства асфальтового бетона

100

Количественное соотношение между битумом и минеральным порошком. Удельная поверхность минерального порошка зна­ чительно больше удельной поверхности остальных, более круп­ ных минеральных частиц, входящих в состав асфальтового бе­ тона. Так, в 1 кг рационально подобранной смеси щебня, песка и минерального порошка, обычно применяемых в производстве

асфальтового бетона, суммарная поверхность всех частиц со­

требуемая прочность асфальтового бетона.

Ряд исследований последних лет подтвердил, что только при определенном соотношении битум — минеральный порошок (для данных материалов и данном технологическом процессе приго­ товления и уплотнения смеси) может быть получена наивысшая прочность асфальтового бетона.

На рис. 19 представлена зависимость прочности асфальто­ вого бетона от количественного отношения битум—минераль­

ный порошок при различном уплотнении (по данным И. а. Ры-

бьева).

Наличие большого количества свободного битума, как уже

отмечалось, отрицательно сказывается на свойствах асфальто­ вого бетона: при положительных температурах повышается его пластичность и снижается механическая прочность. Кроме того, наличие большого количества свободного битума препятствует сближению минеральных частиц, а следовательно, и получению наиболее плотного асфальтового бетона.

Изменение прочности асфальтового бетона в зависимости от количества битума показано на рис. 20. Характер кривой ана­

101

логичен кривой зависимости прочности от отношения битум —

минеральный порошок.

Из приводимой кривой видно, что по мере увеличения коли­ чества битума механическая прочность асфальтового бетона возрастает, но до определенного предела содержания битума. Дальнейшее увеличение количества битума после этого преде­ ла влечет за собой снижение механической прочности. Коли­ чество битума в смеси, соответствующее максимальной прочно­

того, битум будет выступать на поверхность покрытия.

Практически количественное соотношение между битумом и

минеральным порошком, как и вязкость битума, подбирается не только для достижения определенной прочности, но и для по­ лучения других важных свойств асфальтового бетона. В част­ ности, с достаточной прочностью при наивысших температурах должна сочетаться и необходимая деформативность при низ­ ких температурах. Поэтому практически ориентируются не на максимальную прочность, а на оптимальную, удовлетворяющую

обоим требованиям.

Механическую прочность асфальтового бетона принято оце­ нивать по результатам испытаний опытных образцов на сжа­ тие. Сопротивление сжатию определяется при температуре +20

и +50°.

Наиболее важным является показатель сопротивления сжа­ тию при температуре +50°, так как он отражает наихудшие ус-

102

СССР стандарту испытание обычно производится на 10-тонном гидравлическом прессе при скорости движения поршня

3 мм/мин (на холостом ходу). Для характеристики механичес­ кой прочности асфальтового бетона предложены и другие ис­ пытания, а именно: сопротивление вдавливанию штампа, раз­ рыву, сдвигу, изгибу и Др.

Эти испытания пока .не введены в практику и не нормиро­ ваны.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

Главным недостатком асфальтового бетона как дорожно­ строительного материала является большая зависимость его свойств от температурных изменений. При повышении темпе­ ратуры вязкость битума, содержащегося в асфальтовом бето­ не, понижается, оцепление частиц ослабевает, что влечет за со­ бой уменьшение механической прочности.

При понижении температуры происходит обратное: вязкость битума, а с нею и механическая прочность повышаютсяИзме­

нение механической прочности, связанное с изменением темпе­ ратуры, происходит в достаточно широких пределах. Сопротив­ ление сжатию стандартных асфальтобетонных образцов при ис­ пытании на гидравлическом прессе со скоростью движения пор­ шня 3 мм/мин в среднем составляет:

Такие изменения механической прочности естественно ухуд­ шают условия работы асфальтобетонных покрытий. При этом следует подчеркнуть, что с показателями механической прочно­ сти тесно связаны такие свойства асфальтового бетона, как деформативная способность и пластичность. С точки зрения ус­ ловий работы в дорожном покрытии важно, чтобы асфальто­ вый бетон обладал достаточной устойчивостью при высоких температурах и в то же время сохранял известную пластичность

(деформативную способность) при отрицательных температу­ рах. Исследования и опыт эксплуатации асфальтобетонных по­ крытий показывают, что при определенном соотношении свойств асфальтового бетона, при различных температурах это сочетание в некоторых пределах достигается.

Теплоустойчивость. Не все асфальтобетонные смеси в оди­

наковой мере теряют механическую прочность при повышении температуры. Степень изменения механической прочности в за-

103

висимости от температурных колебаний характеризует степень теплоустойчивости асфальтового бетона. Применение нетеплоустойчивых асфальтобетонных смесей, значительно снижающих механическую прочность, а с нею и деформативную устойчи­ вость, при повышении температуры приводит к образованию на покрытиях деформаций в виде наплывов, сдвигов и волн.

Такие деформации чаще всего наблюдаются в первые годы

работы покрытия.

Теплоустойчивость асфальтового бетона приобретает особое

значение в условиях городских дорог, где специфика движения

(больше тормозных усилий) способствует большему образова­ нию деформаций в виде волн и наплывов.

Теплоустойчивость зависит от свойств применяемых мине­ ральных материалов и битума и их взаимодействия, а также от пластичности асфальтового бетона.

Влияние свойств битума. Применение более теплоустойчиво­ го битума повышает теплоустойчивость асфальтового бетона.

Для того чтобы асфальтовый бетон зимой не был излишне хрупким, битум не должен быть слишком вязким. В то же вре­ мя для придания асфальтовому бетону надлежащей деформативной устойчивости (прочности) при высоких температурах, битум должен одновременно иметь более высокую температуру размягчения. Следовательно, для обеспечения надлежащей теп­

лоустойчивости и морозоустойчивости асфальтового бетона не­ обходимо, чтобы битум имел при относительно большей глуби­ не проникания (например, для средней климатической полосы 80—100 и выше) более высокую температуру размягчения (не ниже 47°). Такой битум является в известной мере теплоустой­ чивым и морозоустойчивым. Выше уже отмечалось, что в дей­ ствующий в настоящее время ГОСТ (1544—52) на нефтяные вязкие битумы включены их улучшенные марки, до некоторой степени удовлетворяющие этим требованиям: БН-П-У и БН-Ш-У. Улучшенные битумы БН-Н-У применяются в Москве с 1947 года. Это способствовало значительному уменьшению трещин на асфальтобетонных покрытиях. Но вместе с тем поя­ вилось много деформаций, обусловленных недостаточной тепло­ устойчивостью асфальтового бетона. Помимо влияния излишней ■пластичности (о чем будет сказано ниже), это, несомненно, объясняется и недостаточной теплоустойчивостью применяемого битума. Очевидно, нужен битум с еще более высокой темпера-

рой размягчения при той же глубине проникания.

Получение такого битума является задачей, стоящей перед работниками нефтеперерабатывающей промышленности.

За последнее время благодаря возникновению многочислен­ ных наплывов и волн на асфальтобетонных покрытиях в городах некоторые дорожники стали снова применять более жесткие битумы с глубиной проникания 65—70. Вряд ли можно признать это обоснованным, так как такой жесткий битум неизбежно

104

скажется на увеличении трещинообразования, которое в настоя­ щее время далеко еще не ликвидировано. По-видимому, более

правильным следует все же признать применение битумов

БН-П-У с глубиной проникания 80—90. Повышение же тепло­ устойчивости должно достигаться за счет некоторого увеличения

соотношения ‘между минеральным порошком и битумом и соот­ ветствующего подбора минеральной смеси. Опыт ряда зарубеж­ ных стран также подтверждает нецелесообразность применения более жестких битумов. Отметим, например, что по данным Дюрье в Париже применяется битум с пенетрацией 80—100.

На перекрестках, а также троллейбусных и автобусных ос­ тановках, где, как показала практика последних лет, деформа­ ционная устойчивость асфальтового бетона при высоких темпе­ ратурах должна являться основным показателем, следует при­ менять более жесткий битум (в пределах марки БН-Ш-У). Опыт показывает, что срок службы покрытий на остановках общест­ венного транспорта резко отличается от срока службы на «тран­ зитных» участках, иногда сокращаясь до 2—3 лет только из-за недостаточной деформационной устойчивости.

Применение разных битумов для асфальтобетонного покры­ тия на троллейбусных и автобусных остановках и для осталь­ ной части улиц создает дополнительные неудобства в организа­

ции работы, но при наличии нескольких заводов в городе или нескольких смесителей на одном заводе это вполне возможно осуществить.

Кроме сказанного, на теплоустойчивость асфальтового бето­ на оказывает влияние и активность битума, от которой зависит

его взаимодействие с каменным материалом.

Влияние свойств минерального материала. На теплоустойчи­ вость асфальтового бетона оказывают также влияние и свойст­ ва минеральных материалов и, в частности, свойства минераль­ ного порошка. Выше уже отмечалось, что взаимодействие биту­ ма с минеральными материалами—сложный физико-химический

процесс, сопровождающийся в ряде случаев видоизменениями битума. В частности, при взаимодействии битума с пористыми материалами (известняки, металлургические шлаки) происходит избирательная диффузия компонентов битума, в результате че­ го битумный слой, контактирующийся с поверхностью минераль­ ных частиц, приобретает иную, более высокую вязкость.

Применение известняковых каменных материалов, как пра­ вило, повышает теплоустойчивость, а с нею и деформативную' устойчивость при высоких температурах. Применение гидро­ фильных каменных материалов обычно дает обратный эффект.

Из общей минеральной смеси самое значительное влияниена теплоустойчивость асфальтового бетона естественно оказы­

вает наиболее поверхностно-активный материал — минеральный порошок. Наиболее теплоустойчивым является асфальтовый бе­

тон с минеральным порошком из известняков и некоторых раз-

105

новидностей металлургических шлаков. Низкая теплоустойчи­ вость отмечена у асфальтовых бетонов, содержащих в качестве

Минерального порошка золу каменных углей и кварцевый по­

рошок.

Влияние пластичности асфальтового бетона. Чем пластичнее асфальтовый бетон, тем ниже его теплоустойчивость. Пластич­ ность асфальтового бетона зависит главным образом от соотно­ шения битума к минеральному порошку, а точнее, к его сум­

марной поверхности. Избыток битума в смеси создает большое количество так называемого объемного (свободного) битума,

что способствует повышению пластичности асфальтового бетона,

а следовательно, и снижению его теплоустойчивости. Этим, в

частности, объясняется то, что в технических требованиях,

предъявляемых к асфальтовому бетону, регламентируется и ниж­ ний предел водонасыщения.

Действующим ГОСТом установлен нижний предел объем­ ного водонасыщения — 1 °/о (для городских дорог, а также для всех дорог в южных районах СССР —1,5%). Меньшее водонасцщение будет означать избыток битума, а следовательно, и пониженную деформативную устойчивость асфальтового бето­

на (при высоких температурах).

Выпуск слишком пластичных асфальтобетонных смесей с водонасыщением меньше 1% является серьезным нарушением Технических правил. Покрытия, сделанные из такого асфаль­ тового бетона, более подвержены сдвиговым деформациям в виде наплывов и волн. Практика строительства асфальтобетон­ ных покрытий в Москве подтвердила это.

Испытания вырубок из ряда новых асфальтобетонных по­ крытий Москвы в- местах образования наплывов показывают, что в большинстве случаев указанный нижний предел водона­ сыщения не выдерживался. Так, например, из 44 вырубок, взя­ тых из наплывов, 26 оказались с водонасыщением от 0 до 0,5%. Это свидетельствует о применении слишком пластичных сме­ сей, что явилось следствием грубых нарушений дозировки ма­ териалов. Так как обследование наплывов было произведено на различных магистралях Москвы, построенных разными до­ рожно-строительными организациями, то можно сделать об­ щий вывод: во многих случаях наплывы являются следствием применения слишком пластичных смесей. Часть наплывов об­ разовалась на покрытиях, которые удовлетворяли требованиям действующих Технических правил, касающихся водонасыще­ ния и механической прочности.

Из сказанного видно, что избежать значительной части на­ плывов можно за счет выпуска менее пластичных смесей. Для этого необходим более строгий технический контроль за дози­

ровкой материалов на асфальтобетонных заводах. Теплоустойчивость зависит и от вида асфальтового бетона.

Асфальтобетонные смеси, содержащие щебень, например мел-

106

козернистые и среднезернистые, являются менее пластичными по сравнению с песчаными, а поэтому и более теплоустойчивы­ ми. При этом большее содержание щебня уменьшает склон­ ность асфальтового бетона к сдвигам и наплывам. В некоторых

местах в Москве применялся мелкозернистый асфальтовый бе­ тон с повышенным содержанием щебня (до 40—45%). Отме­ тим, что асфальтовый бетон с увеличенным количеством щеб­ ня более устойчив против образования трещин в зимнее вре­ мя. Повышенную теплоустойчивость обнаружил асфальтовый бетон, минеральная часть которого состояла из мартеновских

шлаков.

Критерием для оценки температурной устойчивости асфаль­ тового бетона является, по нашему мнению, соотношение де-

формативности при наивысших и наинисших температурах, при

которых работает дорожное покрытие. В качестве условного критерия может быть принято соотношение прочности на растя­ жение при тех же температурах.

Деформативная способность асфальтового бетона при низ­ ких температурах (устойчивость против образования трещин).

Задача создания теплоустойчивого асфальтового бетона, устойчивого против образования деформаций при наивысших температурах, неразрывно связана с сохранением необходи­ мой деформативности (пластичности) при отрицательных тем­ пературах. Известно, что наряду с другими причинами трещины образуются зимой, главным образом при резком (быстром) по­ нижении температуры вследствие недостаточной пластичности

асфальтового бетона при низких температурах.

При понижении температуры объем асфальтового бетона

сокращается, поэтому в покрытии возникают растягивающие

напряжения, которые до известной степени могут компенсиро­

ваться его пластичностью. Для предотвращения образования

трещин необходимо, чтобы асфальтовый бетон в достаточной степени поддавался растяжению при отрицательных темпера­ турах, т. е. обладал соответствующей деформативной

способностью. При этом важное значение приобретает и возможная быстрота растяжения, которая могла бы компенси­

ровать скорость протекания деформации при быстром пониже­ нии температуры.

Вопросами морозоустойчивости асфальтового бетона зани­

мались советские и зарубежные исследователи, в частности Н. М. Распопов, С. В. Бельковский, Г. К. Сюньи, Н. В. Горелышев, Л. Редер и другие.

Из проведенных в этой области исследований известно, что наибольшее влияние на деформативность при низких темпера­ турах оказывает характер применяемого битума: менее вязкие битумы обеспечивают повышенную деформативность асфаль­ тового бетона. Это условие прямо противоположно требованиям, предъявляемым к битуму для получения асфальтового бетона

107

с повышенной деформационной устойчивостью при высоких температурах. Поэтому, как уже указывалось, вязкость биту­ ма практически принимается такой, чтобы в известной степени удовлетворялись оба условия. Но битумы, имеющие одинако­ вую вязкость при положительных температурах, могут иметь

различные свойства при отрицательных температурах. Для по­ лучения необходимой деформативности необходимо, чтобы би­ тум сохранял известную пластичность и эластичность при 0° и даже при отрицательных температурах. В небольшой степени эти свойства присущи улучшенным маркам битумов БН-II-V и

В.Н-Ш-У. Эти битумы, как известно, имеют глубину проника­ ния при 0° соответственно 10 и 5, а растяжимость 3 и 2 см. По­ следний показатель представляется нам особенно важным.

Наблюдается определенная связь между тягучестью биту­ ма при 0° и деформативностью асфальтового бетона. Так, на­

пример, на покрытиях из асфальтового бетона, в котором при­ менен сланцевый битум, отличающийся достаточной тягучестью

и при 0°, трегцинообразо,ванне значительно меньше.

Влияние тягучести битума на повышение морозоустойчиво­ сти асфальтового бетона отмечается многими зарубежными ис­ следователями. Американский исследователь Г. Скидмор, изу­ чавший морозоустойчивость асфальтового бетона, рекомендо­

вал установить в числе технических требований минимальную тягучесть битумов при низких температурах вместо определе­ ния показателя глубины проникания при этих же температу­ рах.

Автором совместно с И. Н. Антоновым и В. Н. Сотниковой проводилось в СоюзДОРНИИ исследование деформативной способности асфальтового бетона при 0° в зависимости от вяз­ кости битума и его растяжимости при 0°. Некоторые результа­ ты этих исследований приведены в табл. 18 и на рис. 21.

Эти данные относятся к песчаному асфальтовому бетону

одного и того же состава, но с битумами, различающимися по

вязкости. Все битумы получены из одного и того же сырья при различном времени окисления. Для испытаний на растяжение

универсальном гидравлическом прессе при скорости холостого хода поршня 0,5 мм/мин (для получения более объективного показателя деформативности, лучше отражающего условия ра­ боты дорожного покрытия, желательно скорость деформации снизить).

Деформации при растяжении замерялись индикатором часо­ вого типа (с ценой делений 0,01 мм), который при помощи спе­

циальных зажимов прекреплялся к шейке образца. База, на которой определялись удлинения, составляла 42—45 мм.

108