Дорожно-строительные материалы. Учебное пособие. Практикум. Учебное пособие для обучающихся по специальности 08.03.01 «Строительство», направление под

УДК 625.7.06(075.8)

Рецензенты:

С. А. Лхасаранов – кандидат технических наук, доцент, завкафедрой «Строительные материалы, автомобильные дороги и деревообработка» Во- сточно-Сибирского государственного университета технологий и управления

Д. А. Аюпов – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии строительных материалов, изделий и конструкций» Казанского государственного архитектурно-строительного университета

Иванов, С. А. Дорожно-строительные материалы. Учебное пособие.

Практикум : учебное пособие для обучающихся по специальности 08.03.01 «Строительство», направление подготовки (профиль) «Автомобильные дороги» / С. А. Иванов, Н. В. Крупина ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. – Кемерово, 2023. – ISBN 978-5-00137-406-0. –

47с. – Текст : непосредственный.

Вучебном пособии рассмотрены следующие вопросы: классификация битумов, типы структур битума, влияние состава битума на его структуру, выбор марки битумного вяжущего, выбор битумов для эксплуатации в различных дорожно-климатических зонах, классификация асфальтобетона, структура асфальтобетона, роль битума и заполнителей в структуре, подбор состава минеральной части асфальтобетонной смеси.

Практические работы способствуют освоению студентами материала дисциплины. Формул 11, таблиц 14. Учебное пособие подготовлено для обучающихся по специальности 08.03.01 «Строительство», направление подготовки (профиль) «Автомобильные дороги.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие подготовлено в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования для обучающихся по специальности 08.03.01 «Строительство», направление подготовки (профиль) «Автомобильные дороги», а также рабочей программой по дисциплине «Дорожно-строительные материалы».

При изучении данной дисциплины необходимы знания по следующим наукам: высшая математика, физика, теоретическая механика, основы геотехники.

ЧАСТЬ I ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 1 БИТУМЫ (ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ № 1, 2, 3, 4)

Битумы (от санскритского «гвитумен» – смола) – органические вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т. е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При обычных температурах битумы могут находиться в твердом, вязком или жидком состоянии. Плотность битумов немногим более 1 г/см3.

Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают путем переработки нефти.

1.1 Нефтяные дорожные битумы

Производятся путем обработки продуктов нефтеперерабатывающей промышленности с добавлением различных соединений и растворителей. В зависимости от целей, для которых будет применяться битум, он может быть как жидким, так и вязким.

3

Вязкий дорожный битум используется при ремонте и прокладывании дорожного покрытия и аэродромных полос. Его технические характеристики зависят от разновидности: БН (битум нефтяной строительный) или БНД (битум нефтяной дорожный).

Взависимости от показателей основных свойств битумы делят на марки. Твердые и вязкие нефтяные битумы (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 (циф-

ры дроби – допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 ).

Взависимости от значения показателя «глубина проникания иглы при температуре 25 » битумы подразделяют на следующие марки: БНД 130/200, БНД 100/130, БНД 70/100, БНД 50/70, БНД 35/50, БНД 20/35.

Битумы изготовляют (получают) следующими способами:

−окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов;

−компаундированием окисленных и неокисленных продуктов;

−в виде остатка прямой перегонки нефти.

Маркировку битумов осуществляют по ГОСТ 1510. Упаковку битумов осуществляют по ГОСТ 1510. Допускается упаковывать и хранить битумы в разовой жесткой штабелируемой кубической транспортной таре. Вся тара должна быть химически нейтральной к битумам, термостойкой при разогреве битумов, достаточно герметичной для исключения протечек битума и плотно закрываться для предотвращения попадания внутрь тары воздуха и загрязненных частиц (веществ).

Битумы нефтяные дорожные (БНД) обладают более высокой температурой размягчения и более низкой температурой хрупкости. Кроме того, пенетрация при 0 имеет большее значение по сравнению с пенетрацией БН. И требования к БНД по термостабильности выдвигаются более жесткие.

1.2 Маркировка нефтяных дорожных битумов (БНД)

БНД маркируются в зависимости от их технических характеристик. В зависимости от климатической зоны, в которой будут проходить дорожные работы, применяются определенные разновидности битума.

4

На территориях, где среднемесячная температура в самый холодный сезон не поднимается выше –20°, используются БНД марок:

200\300, 130\200 или 90\130.

Вболее теплой климатической зоне, где среднемесячная температура холодного сезона не опускается ниже –20°, помимо перечисленных выше, может использоваться битум марки 60\90.

При среднемесячной температуре от –5° до –10° могут использоваться не только марки БНД, но и БН от 200\300 и до 90\130.

Всамых теплых климатических зонах, где среднемесячная температура зимой не опускается ниже 0°, используются марки БН

90\130 и 60\90, а также БНД 90\130, 60\90 и 40\60.

Жидкие битумы, в свою очередь, производятся путем разжижения вязких с помощью специальных растворителей. Сферой их применения является изготовление холодного асфальтобетона и проведение дорожных ремонтных работ. После укладки жидкого битума разжижитель постепенно испаряется, и покрытие приобретает необходимую твердость. Однако данный вид материала является пожароопасным из-за низкой температуры вспышки.

1.3 Классификация битумов

Битумы классифицируются:

−по происхождению;

−исходному сырью;

−консистенции;

−назначению.

Дорожные битумы используются для производства материалов, предназначенных к применению в ремонте дорожных покрытий, строительстве транспортных развязок, укладке аэродромных покрытий и т. д. Материалами могут быть асфальтобетонные смеси, битумные мастики, битумные эмульсии и иные продукты.

Битумоемкость фракции минерального материала – это оптимальное количество битума, определенное по максимальной величине средней плотности и показателю прочности при сжатии при 50 , обеспечивающее полное обволакивание зерен данной фракции и минимальное количество объемного битума.

5

Битумоемкость смеси минеральных материалов – это оп-

тимальное количество битума в смеси, определенное как суммарная битумоемкость каждой фракции, которая является оптимальным количеством битума в асфальтобетонной смеси.

Строительные материалы, в состав которых входят битумы, называются битумными. Битумные вещества состоят из сложных смесей углеводородов и их производных они не растворимы в воде, многие не растворяются в кислотах, но их можно растворить в бензоле, сероуглерода и других органических растворителях. При нормальных температурах они представляют собой твердые массы или густые жидкости темного, почти черного цвета. В зависимости от исходного сырья, битумные вяжущие вещества делятся на нефтя-

ные и природные.

ГЛАВА 2 АСФАЛЬТОБЕТОН (ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ № 5, 6, 7)

2.1 Основные понятия

Асфальтобетон (асфальтобетонная смесь) – важнейший до-

рожно-строительный материал, получаемый в результате уплотнения рационально рассчитанной смеси. Она состоит из битумного вяжущего, минерального порошка и заполняющих компонентов. При отсутствии в смеси крупного заполнителя (щебня или гравия) этот материал именуется песчаным асфальтом или асфальтовым раствором.

Асфальтобетонная смесь – рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня и песка с минеральным порошком или без него), с битумом и модифицирующими добавками или без них, взятых в определенных отношениях и перемешанных в нагретом состоянии.

Горячая асфальтобетонная смесь – смесь, приготовленная с использованием вязких и жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемая с температурой не менее 120 .

Асфальтобетон – уплотненная асфальтобетонная смесь.

Щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (ЩМАС) –

рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня, дробленого песка и минерального порошка) вязкого нефтяного до-

6

рожного битума с модифицирующими, в том числе стабилизирующими, добавками, взятых в определенных соотношениях и перемешанных в нагретом состоянии.

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) – уплот-

ненная щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь. Стабилизирующая добавка – модифицирующая добавка, об-

ладающая битумоудерживающей способностью и обеспечивающая структурную однородность ЩМАС во времени.

Модифицирующие добавки – добавки, вводимые непосредственно в битум или в приготавливаемую на его основе асфальтобетонную смесь с целью направленного структурообразования, улучшения свойств и получения требуемых технических характеристик битумов и асфальтобетонных смесей.

Проектирование асфальтобетона – выбор материалов, рас-

чет его состава с учетом погодно-климатических условий и условий работы в конструкции дорожной одежды; выбор способа производства работ.

Расчет состава асфальтобетона – определение соотноше-

ния между компонентами в асфальтобетоне и экспериментальная проверка свойств подобранного материала.

Гранулометрический состав минерального материала –

процентное содержание фракций в материале, т. е. частные остатки на ситах, выраженные в процентах от общей массы минерального материала.

Состав минеральной части асфальтобетонной смеси –

процентное содержание минеральных материалов, составляющих асфальтобетонную смесь.

Гранулометрический состав минеральной части асфаль-

тобетонной смеси – процентное содержание фракций в минеральной части, т. е. частные остатки на ситах, выраженные в процентах от общей массы минеральной части.

Состав асфальтобетонной смеси – процентное содержание материалов, в том числе и битума, составляющих асфальтобетонную смесь.

Битумоемкость фракции минерального материала – опти-

мальное количество битума, определенное по максимальной величине средней плотности и показателю прочности при сжатии

7

при 50 , обеспечивающее полное обволакивание зерен данной фракции и минимальное количество объемного битума.

Битумоемкость смеси минеральных материалов – опти-

мальное количество битума в смеси, определенное как суммарная битумоемкость каждой фракции, которая является оптимальным количеством битума в асфальтобетонной смеси.

Горячие смеси и асфальтобетоны в зависимости от наиболь-

шего размера минеральных зерен подразделяют:

−на крупнозернистые с размером зерен до 40 мм;

−мелкозернистые – до 20 мм;

−песчаные – до 5 мм.

Щебеночные и гравийные горячие смеси и плотные асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы:

А с содержанием щебня св. 50 до 60 %;

Б св. 40 до 50 %; В св. 30 до 40 %.

Щебеночные и гравийные холодные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы Бх и Вх.

Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Ги Гх – на песках из отсевов дробления, а также на их смесях

сприродным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

и Дх – на природных песках или смесях природных песков

с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

В асфальтовых растворах и бетонах матричным компонентом, соединяющим зерна заполнителей в единое целое, является асфальтовое связующее (называемое также асфальтовым вяжущим), представляющее собой композицию нефтяного битума с тонкомолотым минеральным порошком (как правило, из известняка, доломита и других карбонатных пород).

Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но и повышает прочностные свойства и теплостойкость материала (за счет перевода битума из объемного в пленочное состояние).

8

2.2 Классификация асфальтобетона

Структура – это совокупность устойчивых связей компонентов объекта, обеспечивающих его целостность в различных внешних и внутренних изменениях. Все бетоны представляют собой уплотненные комплексы, состоящие из твердых включений, связанных квазижидкими вяжущими веществами («клеем») в единый структурированный монолит. Таким образом, изначально предполагается наличие в них четкого раздела. Исходя из этого, можно сформулировать понятие «структура асфальтобетона».

Структура асфальтобетона (внутреннее строение) – это пространственное расположение в единице объема кристаллических минеральных частиц различной формы и степени дисперсности, связанных энергетически между собой аморфным вяжущим веществом.

Всоответствии с ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов» в зависимости от вида минеральной составляющей различают асфальтобетонные смеси:

щебеночные, гравийные, песчаные.

Взависимости от температуры укладки асфальтобетонные смеси бывают: горячие – изготовляемые на вязких нефтяных дорожных битумах и применяемые непосредственно после приготовления – с температурой укладки не менее 120 и холодные – изготовляемые на жидких битумах – с температурой укладки свыше 5 . Среди горячих иногда выделяют теплые асфальтобетонные смеси – изготовляемые на вязких и жидких битумах – с температурой укладки не менее 70 .

Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси.

Взависимости от величины остаточной пористости асфальтобе-

тоны из этих смесей делят:

а) на высокоплотные, с остаточной пористостью 1–2,5 %; б) плотные, с остаточной пористостью 2,5–5 %;

в) пористые, с остаточной пористостью 5–10 % (для нижних слоев покрытий и основания);

г) высокопористые, с остаточной пористостью 10–18 %.

9

Взависимости от наибольшего размера минеральных зерен

горячие смеси подразделяют:

а) на крупнозернистые (с зернами до 40 мм); б) мелкозернистые (с зернами до 20 мм); в) песчаные (с зернами до 5 мм).

Холодные смеси, в свою очередь, подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

Всоответствии с ГОСТ Р 58406.2-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси горячие асфальтобетонные и асфальтобетон. Технические условия» в зависимости от номинально

максимального размера применяемого минерального заполните-

ля асфальтобетонные смеси подразделяют на типы:

−А32 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 31,5 мм;

−А22 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 22,4 мм;

−А16 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 16,0 мм;

−А11 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 11,2 мм;

−А8 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 8,0 мм;

−А5 – смеси с номинально максимальным размером применяемого минерального заполнителя 5,6 мм.

В зависимости от конструктивного слоя дорожной одежды

асфальтобетонные смеси (смеси) подразделяют на виды:

−О – смеси для слоя основания;

−Н – смеси для нижнего слоя покрытия;

−В – смеси для верхнего слоя покрытия.

В зависимости от условий дорожного движения асфальтобе-

тонные смеси подразделяются на следующие виды:

− Л – смеси, предназначенные для строительства дорог с легкими условиями движения (до 0,5 млн приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 за расчетный срок службы конструктивного слоя);

10