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

Прочность асфальтового бетона характеризуется предель­ ными напряжениями, возникающими в нем при деформирова­

нии, когда наступает нарушение сплошности. Предельные же деформации, о которых шла речь, появляются значительно раньше предельных напряжений.

Таким образом, основными критериями устой­

чивости, а следовательно, и расчетными кри­

териями для асфальтобетонных покрытий яв­ ляются предельные деформации, образующиеся при

кой прочностью. Во многих случаях наибольшая деформацион­ ная устойчивость наблюдается при наивысшей прочности. В ас­ фальтовом бетоне, как это явствует и из теории прочности Мо­ ра и из фактических измерений, прочность возрастает по мере перехода из области растяжения в область сжатия.

Следовательно, также будет изменяться и деформационная устойчивость, т. е. ойа будет повышаться по мере перехода из области растяжения в область сжатия. При этом прочность и соответственно деформационная устойчивость на сдвиг зани­ мают промежуточное положение. Отсюда следует, что дефор­ мационная устойчивость асфальтового бето­ на при его работе на сдвиг ниже, чем при ра­ боте н а сжатие.

При высоких летних температурах асфальтобетонное покры­ тие работает главным образом на сдвиг и на сжатие. Таким об­ разом, наиболее существенной в этих условиях яв­ ляется деформационная устойчивость на сдвиг. При движении современного автомобильного транспор­ та в дорожных покрытиях могут возникать значительные гори­ зонтальные (сдвигающие) усилия, доходящие до величины вер­ тикальных и составляющие 6—8 кг!см2. Горизонтальные усилия возникают при торможении, трогании с места и при перемене скор.ости движения.

При надлежащем сцеплении асфальтобетонного покрытия с основанием или при достаточно большой толщине покрытия ® нем под влиянием горизонтальных усилий возникают напряже­ ния сдвига и сопутствующие им деформации.

Особое значение для развития деформации в асфальтовом бетоне приобретает его способность накапливать деформации, возникающие при повторных нагрузках. Рост деформаций по мере увеличения числа приложений нагрузки становится наи­ более интенсивным при наименьшей деформативной устойчи­ вости асфальтового бетона, имеющей место при высоких тем­ пературах.

Таким образом, при большой интенсивности движения, осо­ бенно тяжелых автомобилей, в течение всего периода высоких

летних температур' может происходить накопление деформаций. На недостаточно устойчивых покрытиях при этих условиях воз­ никают предельные деформации сдвига.

Наряду с ними бывают и местные деформации смятия. Наибольшие деформации могут появиться и под влиянием

длительнодействующих нагрузок. Такие деформации связаны с ползучестью асфальтового бетона. Практически это будут де­ формации сжатия, так как для дорожного покрытия не соз­ даются условия длительного сдвига, который, как уже отмеча­

лось, носит характер кратковременных, но многократных воз­

действий.

Оказанное подтверждается опытом эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий. Как известно, наиболее характер­ ными и распространенными деформациями на этих покрытиях являются сдвиговые — волны, наплывы. Такие деформации осо­

бенно часто возникают в местах фиксированных остановок транспорта (пересечения дорог, остановок троллейбусов и автобусов) и на перегонах в связи с изменениями скорости движения.

Деформации, возникающие под влиянием длительно дейст­ вующих усилий и обусловленные ползучестью асфальтового бетона, можно наблюдать в местах продолжительных стоянок транспорта.

Специфическим видом деформаций асфальтобетонных по­ крытий являются неровности, появляющиеся с течением време­ ни и копирующие неровности поверхности основания. Эти де­ формации связаны с различным уплотнением покрытия пере­ менной толщины.

Вцелях избежания подобных деформаций необходимо

ности, однородностью перемешивания и уплотнения асфальто­

бетонной смеси).

Необходимо отметить, что неровности покрытий обычно с течением времени увеличиваются. Это объясняется тем, что по­

являющиеся в таких местах динамические воздействия неиз­ бежно приводят к росту деформаций.

КОРРОЗИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Под влиянием атмосферных факторов (влажность, знакопе­ ременные температуры) может происходить коррозия асфаль­ тобетонного покрытия, проявляющаяся в выкрашивании из не­

го минеральных зерен. Развивающиеся очаги коррозии приво­ дят к разрушению покрытия.

Коррозия покрытий связана главным образом с недостаточ­ ной водоустойчивостью и морозоустойчивостью асфальтового бетона.

50

правило ограничиваются тем, чтобы асфальтовый бетон опти­ мально удовлетворял обоим требованиям.

ИЗНОСОУСТОЙЧИВОСТЬ

Асфальтовый бетон должен иметь достаточную устойчивость

против истирающего действия колес автомобильного транспор­ та. Износоустойчивость оказывает решающее влияние на сроки службы покрытий. Следует, однако, подчеркнуть, что износо­ устойчивость может определять срок службы покрытия только

втом случае, когда все предыдущие требования соблюдаются.

Вбольшинстве же случаев асфальтобетонные покрытия выхо­ дят из строя значительно раньше сроков, определяемых изно­

сом, вследствие возникающих недопустимых деформаций, тре­ щин, выкрашивания.

УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТИВ СТАРЕНИЯ

Под воздействием атмосферных факторов и в результате сложных химических и физико-химических процессов, протекаю­ щих в асфальтовом бетоне, его первоначальные свойства с те­ чением времени претерпевают значительные изменения: повы­ шаются вязкость и модуль упругости, — асфальтовый бетон ста­ новится более жестким, — значительно повышается его хруп­ кость при пониженных температурах, а следовательно и пони­ жается деформативная способность. Все это ухудшает эксплуа­ тационные свойства асфальтового бетона. В частности, на та­ ких покрытиях вследствие хрупкого разрушения усиливается трещинообразование.

Однако интенсивность старения не одинакова у различных асфальтовых бетонов и зависит от особенностей применяемых исходных минеральных и вяжущих материалов и процессов их взаимодействия. Совершенно очевидно, что более высокие экс­ плуатационные свойства дольше сохранятся у асфальтового бе­ тона, являющегося более устойчивым против старения.

УДОБООБРАБАТЫВАЕМОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ ПРИ УКЛАДКЕ И УПЛОТНЕНИИ

Это требование, являющееся технологическим, имеет боль­ шое значение для нормального процесса строительства асфаль­ тобетонных покрытий.

Асфальтобетонная смесь должна хорошо поддаваться ук­ ладке, разравниванию и уплотнению. Отсутствие этих свойств затрудняет, а иногда делает вообще, невозможным нормальный процесс строительства покрытия.

На основании сказанного выше, а также многолетнего опы­ та эксплуатации асфальтобетонных покрытий можно назвать следующие критические периоды для этих покрытий:

52

1)периоды наивысших летних температур, при которых размягченный асфальтовый бетон характеризуется наименьшей деформационной устойчивостью и становится подверженным

образованию пластических, главным образом, сдвиговых де­ формаций;

2)периоды резких зимних понижений температур, во вре­ мя которых в покрытиях могут возникать трещины;

3)оттепели в зимний и, особенно весенне-зимний периоды, которым предшествовали многократные циклы замораживание—

оттаивание. От действия таких оттепелей на недостаточно ус­

тойчивых асфальтобетонных покрытиях наблюдаются массовое выкрашивание и образование большого количества очагов раз­ рушения (выбоины, расширенные трещины с обламывающими­ ся краями и т. д.).

Устойчивостью против образования указанных деформаций и разрушений и определяется в основном срок службы асфаль­

тобетонных покрытий.

Разумеется, не все из перечисленных выше строительных

свойств асфальтового бетона имеют одинаковое значение в раз­ личных климатических районах. Так, например, в местах с вы­

сокими летними температурами и небольшим количеством атмосферных осадков основное требование, предъявляемое к

асфальтовому бетону,— устойчивость против образования пла­ стических деформаций. Для районов, характеризующихся боль­ шим количеством знакопеременных колебаний температур в зимнее время, важнейшее значение приобретает морозоустой­ чивость асфальтового бетона. Для районов с большим коли­ чеством осадков, где асфальтобетонные покрытия длительное время находятся в водонасыщенном состоянии, большую роль играет водоустойчивость асфальтового бетона.

Центральные районы СССР характеризуются достаточно вы­ сокими летними температурами (температура воздуха До +35°,

а температура асфальтобетонных покрытий достигает +55°), большим количеством законопеременных колебаний темпера­ тур (в течение зимы их число доходит до 100 и более), а также продолжительными периодами дождей. В этих же районах наблюдаются и интенсивные понижения температур' в зимнее

время.

Таким образом, в этих условиях, являющихся наиболее

распространенными, необходимо обеспечить сочетание всех наз* ванных выше эксплуатационных свойств асфальтового бетона.

Повышенные требования предъявляются к асфальтовому бе­

тону для устройства покрытий на городских дорогах.

Высокая интенсивность движения, тяжелый вес транспорт­ ных единиц (троллейбусы, автобусы), большое количество фик­

сированных мест остановок транспорта (перекрестки, останов­

ки) более частые изменения скоростей движения на перего­ нах, более интенсивный напрев покрытий за счет худшей про-

53

ветриваемости городских дорог — все это создает значительные предпосылки к появлению пластических деформаций.

Глава 6. СТРУКТУРА АСФАЛЬТОВОГО БЕТОНА

В свете современных представлений, развиваемых в СССР

акад. П. А. Ребиндером и его школой, асфальтовый бетон мож­ но отнести к группе коагуляционных структур с ярко выражен­ ными вязко-пластическими свойствами. Отличительной их осо­

бенностью является то, что сцепление структурных элементов

(частиц твердой фазы) осуществляется через тонкие прослойки жидкой среды. Таким образом, в коагуляционных структурах отсутствуют непосредственные контакты между твердыми ча­

стицами. Прочность таких структур обусловлена сравнительно слабыми молекулярными силами сцепления, развивающимися между структурными элементами.

Для коагуляционных структур характерно тиксотропное (са­

мопроизвольно-обратимое) восстановление структуры после ме­ ханического разрушения-

В отличие от коагуляционных структур кристаллизационные или конденсационные образуются путем срастания мелких кри­ сталлов, вследствие чего возникает прочная пространственная

структура, либо путем предельного сближения структурных элементов, между которыми развиваются химические связи. Та­

ким образом, в этих структурах действуют наибольшие силы сцепления (наибольшая энергия связи), благодаря чему они отличаются более высокой прочностью, чем коагуляционные:

Для кристаллизационных или конденсационных структур

характерно необратимое разрушение при различных механи­ ческих воздействиях. Их пластические и эластические свойства обусловлены лишь свойствами самих структурных элементов.

В коагуляционных структурах вязко-пластические и эласти­ ческие свойства обусловлены главным образом особенностями

коагуляционных связей, возникающих между твердыми частицами.

Большую роль играет толщина прослоек жидкой фазы меж­ ду твердыми частицами. С уменьшением толщины прослоек увеличиваются молекулярные силы взаимодействия, вследствие’

чего структура становится прочной, возрастает вязкость си­

стемы. Наоборот, с увеличением толщины прослоек ослабляют­ ся молекулярные силы взаимодействия и структура становится менее прочной. Большую роль, конечно, играют свойства самой

дисперсионной среды (жидкой фазы).

В асфальтовом бетоне твердая фаза — минеральный мате­ риал—представлена совокупностью частиц разного размера:

от тонких, высокодиоперстных (минеральный порошок) до круп­ ных (щебень), которые и являются структурными элементами. Жидкой фазой в асфальтовом бетоне является битум.

54

Вязко-пластические и эластические свойства асфальтового бетона зависят главным образом от свойств битума, толщины битумных слоев, которыми связаны минеральные частицы, и от

особенностей взаимодействия минеральных материалов с вя­

жущим. Этими факторами и обусловливаются особенности коа­

гуляционных связей в асфальтовом бетоне.

Проблема дальнейшего улучшения свойств асфальтового бе­

тона связана с существенным йзменением его структуры (вклю­

чая и структуру битума).

Рассмотрим более подробно некоторые особенности структу­ ры асфальтового бетона.

Структура асфальтового бетона предопределяет

ся:

структурой минерального остова;

структурой битума;

особенностями взаимодействия минеральных материалов с битумом;

•плотностью асфальтового бетона.

Под структурой минерального остова следует понимать ха­

рактер и взаимное расположение минеральных частиц, входя­

щих в состав асфальтового бетона.

Минеральный остов воспринимает на себя значительную часть усилий. Поэтому важно, чтобы он состоял из достаточно прочных частиц и обладал достаточной плотностью.

Прочность асфальтового бетона, как это будет показано ни­ же, в немалой степени зависит и от величины внутреннего тре­ ния, которое обусловлено формой, размерами и характером

поверхности минеральных частиц.

Большую роль в формировании структуры асфальтового бетона играет и структура материалов, образующих минераль­

ный остов.

Под структурой битума в асфальтовом бетоне следует по­ нимать строение битумных слоев образующихся в результате распределения битума в минеральном материале. Для того

чтобы битум мог выполнить свою роль в асфальтовом бетоне,

он должен быть равномерно распределен в минеральном мате­ риале и возможно более полно покрывать минеральные части­ цы. Важное значение приобретают особенности распределения битума: толщина битумных слоев на поверхности минеральных частиц, количество так называемого объемного (свободного)

битума, заполняющего межзерновые пространства. На структу­ ру асфальтового бетона оказывают влияние как свойства сво­

бодного битума, так и свойства битума, адсорбированного по­ верхностью минеральных частиц. Свойства битума в асфальто­

вом бетоне зависят от свойств исходного битума, соотношения битума и минерального материала (а точнее, от соотношения битума и минерального порошка), особенностей взаимодействия битума с минеральными материалами. Ниже более подробно

55

рассматриваются некоторые элементы структуры асфальтово­ го бетона.

СТРУКТУРА МИНЕРАЛЬНОГО ОСТОВА

Основными признаками структуры минерального остова ас­ фальтового бетона являются:

плотность минерального остова; величина внутреннего трения;

структура материалов, образующих минеральный остов.

Плотность минерального остова оказывает решающее влия­ ние на свойства асфальтового бетона, так как с ней непосред­

ственно связана плотность асфальтового бетона, от которой

зависят его важнейшие эксплуатационные свойства: деформа­

ционное поведение при высоких и низких температурах и кор­ розионная устойчивость.

Плотностью минерального остова обусловливается количест­ во битума и его распределение в асфальтовом бетоне.

Надлежащая плотность минерального остова обеспечивает­

ся соответствующим подбором гранулометрического состава. Наиболее полно вопросы подбора гранулометрического соста­ ва асфальтового бетона разработаны проф. Н. Н. Ивановым, а

выработанные им принципы подбора минеральных смесей лег­ ли в основу применяемых в настоящее время методов проекти­ рования асфальтового бетона.

По данным проф. В. В. Охотина, опубликованным в 1929 го­ ду, гранулометрический состав наиболее плотной смеси мине­ ральных материалов характеризуется тем, что диаметры зерен последовательно уменьшаются в соотношении, равном 16. В

этом случае зерна меньшего диаметра размещаются в проме­ жутках между зернами большего диаметра. При этом весовое количество зерен меньшего диаметра составляет 43% коли­ чества зерен предыдущего, большего, диаметра. Изменение

размеров зерен в смеси носит ярко выраженный прерывистый

характер.

Опыт применения таких смесей выявил значительные тех­ нологические трудности, проявляющиеся в расслаивании сме­ сей при транспортировке и укладке.

Исходя из этого проф. Н. Н. Иванов предложил применять для асфальтового бетона смеси, имеющие менее прерывистый гранулометрический состав и являющиеся вследствие этого ме­ нее плотными, но более удобообрабатываемыми. Проведенны­ ми исследованиями установлено, что наиболее рационально применение таких минеральных смесей, в которых диаметры зерен последовательно уменьшаются с отношением, равным 2.

При этом весовое количество зерен меньшего диаметра состав­ ляет от 0,70 до 0,90 от количества зерен предыдущего, больше­

го диаметра. Это весовое отношение называется коэффици­ ентом сбега.

56

Смеси с коэффициентом сбега 0,70—0,90 обладают доста­

точной (оптимальной) плотностью и вместе с тем являются удо-

бообрабатываемыми. Такие смеси рекомендуются к примене­

нию действующими техническими правилами1.

Ориентировочные грануло­ метрические составы мине­ ральных материалов удовлет­

воряющих указанным требова­ ниям, приведены в табл. 12.

На рис. 4 даны кривые смесей

для различных типов асфальтового бетона. На оси абсцисс от­ ложены логарифмы размеров частиц.

Сплошными линиями обозначены предельные кривые, реко­ мендуемые для плотных асфальтовых бетонов, пунктирными

1 Технические правила устройства дорожных покрытий из асфальто­ бетона, применяемого в горячем состоянии. Автотрансиздат, 1955.

57

Таблиц а 12