Обоснование метода определения температуры трещиностойкости полимерасфальтобетона

Обоснование метода определения температуры трещиностойкости полимерасфальтобетона

Л.М. Гохман, к.т.н., А.Р. Давыдова, к.т.н., Т.В. Прокофьева,

инженер, К.И. Давыдова, инженер, СоюздорНИИ

Одну из основных проблем дорожного строительства в настоящее время создают температурные трещины. Борьба с этими трещинами признана в мировой практике одной из актуальных проблем, решение которой будет способствовать повышению долговечности дорожных одежд.

Радикальным средством борьбы с температурными трещинами может служить применение асфальтобетона с повышенной трещиностойкостью при отрицательных температурах, для чего применяется полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) вместо битума.

ПБВ на основе СБС по ГОСТ Р 52056-2003 отличается от битумов по ГОСТ 22245-90, в первую очередь, более высокой трещиностойкостью, т.е. переходом в хрупкое состояние при более низких температурах. Это преимущество не может не проявляться в более высокой трещиностойкости покрытий, устроенных из полимерасфальтобетонных смесей. В настоящее время полимерасфальтобетоны с применением ПБВ на основе СБС используются при строительстве покрытий в небольших, явно недостаточных объемах. Состав ПБВ и качество его компонентов позволяют регулировать свойства ПБВ, в частности трещиностойкость, в широком диапазоне, варьируя соотношением компонентов.

Эта возможность, как правило, не учитывается на практике скорее всего потому, что не существует наглядного, пригодного для использования в заводских лабораториях метода, позволяющего выявить значительные преимущества полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном, в частности по трещиностойкости. Наиболее наглядным показателем трещиностойкости может служить значение температуры, при которой можно предположить отсутствие трещин на покрытии, а показателем хрупкости - температура, при которой они явно образуются.

Повышение трещиностойкости покрытий, особенно в России, где 96% территории характеризуется температурой наиболее холодных суток - ниже минус 25° С, такой метод весьма необходим. Применяемые нефтяные дорожные битумы не могут обеспечить требуемую трещиностойкость покрытий на территории России, т.к. они практически в любом регионе всегда хрупкие при отрицательных температурах воздуха. В то же время отсутствие такого метода фактически не позволяет объективно оценить трещиностойкость покрытия, а следовательно, не позволяет в проектном решении обоснованно назначить требуемую температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона.

Разработанный метод позволяет определить трещиностойкость покрытий мостов, автомобильных дорог и аэродромов при отрицательных температурах, сопоставить трещиностойкость и оценить преимущества полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном, а в будущем и нормировать трещиностойкость полимерасфальтобетона. Предлагаемый метод достаточно прост и доступен для заводских лабораторий.

Практический интерес представляет возможность оценить трещиностойкость полимерасфальтобетона, поэтому в качестве образца для испытаний готовили стандартным способом тонкую пластину из определенной (тонкодисперсной) части полимерасфальтобетонной смеси - асфальтовяжущего. Поверхность минерального порошка в составе асфальтобетонных или полимерасфальтобетонных смесей составляет по отношению к поверхности всей минеральной части более 90%, соответственно наибольшая часть вяжущего, битума или ПБВ, распределяется по этой поверхности, поэтому именно качество асфальтовяжущего, его трещиностойкость и определяют собственно трещиностойкость асфальтобетона или полимерасфальтобетона.

Для указанной цели были изготовлены и проанализированы гранулометрические составы готовых полимерасфальтобетонных и, для сравнения, асфальтобетонных смесей типов А, Б, Д на основе битумов марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 и ПБВ марок ПБВ 60, ПБВ 90, ПБВ 130 и ПБВ 200. Пример полученных результатов представлен в таблице 1 для полимерасфальтобетонной смеси типа А на ПБВ 60 и на рисунках 1, 2, 3, 4 для асфальтобетонной смеси типа А на битуме марки БНД 60/90 и полимерасфальтобетонной смеси типа А на ПБВ 60. Для других типов смесей на разных марках вяжущих получены аналогичные результаты.

Таблица 1. Гранулометрический состав полимерасфальтобетонной смеси типа А на ПБВ 60 и ее минеральной части

Марка вяжущего

Тип смеси

Наименование показателя

Ед. изме­рения

Размер сита

Вяжу­щее

20

15

10

5

2,5

1,25

0,63

0,31

0,16

0,071

<0,071

ПБВ 60

А

Остаток на сите минеральной части, М1

г

0

676

1205

1077

224

157

377

506

147

87

354

190

%

0

13

24

22

4

3

8

10

3

2

7

4

Остаток на сите смеси после переме­шивания, М2

г

154

1211

1389

1346

463

360

77

%

3

24

28

27

9

7

2

Изменение o статка, М2 - М1

г

154

535

184

269

239

203

-300

-506

-147

-87

-354

Содержание асфаль­товяжущего во фракциях смесей

%

100

44

13

20

52

56

-

-

-

-

-

Доля асфальтовя­жущего

%

10

34

12

17

15

13

-

-

-

-

-

Примечание : Содержание асфальтовяжущего определялось по формуле:

доля асфальтовяжущего определялась по формуле :

Рис. 1. - Тип А на БНД 60/90

1 -○- минеральная часть, 2 -●- смесь

Рис. 2. Тип А на ПБВ 60

1 -○- минеральная часть, 2 -●- смесь

Рис. 3. Содержание асфальтовяжущего во фракциях смесей типа А на

1 -●- БНД 60/90, 2 -○- ПБВ 90

Рис. 4. Доля асфальтовяжущего от его общего содержания во фракциях смесей типа А на

1 -- БНД 60/90, 2 -○- ПБВ 60

В ходе эксперимента оказалось, что наибольшее содержание асфальтовяжущего в асфальтобетонных и полимерасфальтобетонных смесях одновременно находится во фракциях смесей мельче 2,5 мм, т.е. прошедших через сито размером 2,5 мм. Для уменьшения разброса показателей желательно было использовать узкие фракции смесей - 2,5÷1,25 или 1,25÷0,63. Фракцию 1,25÷0,63 использовать, по нашему мнению, предпочтительней, так как она содержит больше вяжущего, более однородна и относится к собственно асфальтовяжущему, так как содержит те фракции, которые входят в состав минерального порошка в соответствии с ГОСТ Р 52129-2003.

Так как метод определения трещиностойкости предназначен в основном для заводских лабораторий, то образец - плиточка для испытаний размером 50×25×4 мм - должен изготавливаться в заводских условиях на имеющемся в лаборатории оборудовании.

Толщина образца 4 мм была выбрана экспериментально, как минимально возможная, обеспечивающая равномерное распределение смеси при формовании и равную толщину образца по длине и ширине после прессования. Для этого первоначально в стандартной форме формуется цилиндрический образец размером: d=70 мм и h=4 мм, из которого после охлаждения вырезают горячим ножом по шаблону квадрат размером 50×50 мм и делят его на две равные части размером 50×25 мм. При этом соотношение между диаметром отпечатка покрытия под колесом автомобиля - 37 см и толщиной покрытия (≈ 5 см) так же, как и в нашем образце между его длиной и толщиной составляет более 7.

Поскольку температурные трещины образуются на покрытии от растягивающих напряжений, возникающих в слое асфальтобетона при прогибе покрытия под колесом автомобиля, были сделаны расчеты величин прогиба (L) и относительного удлинения (ﻉ) покрытия под колесом расчетного автомобиля при требуемом модуле упругости дорожной одежды (230 МПа по таблице 33 с. 32 ВСН 46-83) и в битумной пленке на приборе Фрааса. Под колесом автомобиля прогиб (L) дорожного покрытия толщиной 5 см составил 0,69 мм, а относительное удлинение (ﻉ) - 0,202%. На приборе Фрааса прогиб пластинки со слоем битума толщиной 0,5 мм составил 7,15 мм, а относительное удлинение пленки битума составило 1,83%.

Как видно из этих результатов, величина прогиба пленки битума и ее относительного удлинения при испытании на приборе Фрааса больше этих же параметров на покрытии приблизительно в 10 и в 9 раз соответственно. Но при этом надо отметить, что и толщина пленки битума в асфальтобетоне (3÷8 мкм) в 100 раз меньше, чем пленка битума на пластинке прибора Фрааса. Следует отметить, что скорость понижения температуры воздуха в реальных условиях может составлять только 0,83° С/час, а скорость изменения температуры на приборе Фрааса составляет 60° С/час. Можно предположить, что ужесточение рассматриваемых параметров испытания в методе Фрааса компенсируется большей толщиной пленки битума, большим прогибом и скоростью охлаждения с той целью, чтобы приблизить Тхр по Фраасу (Т фхр) к реальной температуре образования трещин на покрытии.

Для выбора параметров шаблона, на котором должен изгибаться образец-плитка, предположили, что определяющим является величина фактического прогиба покрытия на дороге - 0,69 мм. При этом полагали, что плиточка должна образовать трещину при переходе вяжущего - битума или ПБВ в упруго-хрупкое реологическое состояние, несмотря на незначительную величину прогиба при постепенном снижении температуры испытания. Для разработки такого шаблона задавались различными радиусами кривизны с тем, чтобы прогиб образца размером 50×25×4 мм составлял величину, близкую к 0,69 мм.

Как видно из таблицы 2, наиболее близким к заданному является шаблон с радиусом кривизны равным 50 см, который обеспечивает прогиб образца-плиточки 0,62 мм, а относительное удлинение при этом составит 0,8%. Как видно из полученных данных, величина относительного удлинения образца в 4 раза превышает реальную (0,202%). Полагаем, что это положение позволяет компенсировать многократное воздействие нагрузки, имеющее место на покрытии.

Таблица 2. Зависимость прогиба и относительного удлинения образца полимерасфальтобетона от радиуса кривизны шаблона

Радиус кривизны шаблона ( R ш ), см

Прогиб ( L ), мм

Относительное удлинение, ﻉ , %

10

3,1

4

20

1,56

2

40

0,8

1

50

0,62

0,8

70

0,44

0,57

100

0,30

0,4

Тем не менее величина относительного удлинения образца-плитки в 2,3 раза меньше, чем в пленке битума, испытываемой по методу Фрааса (1,83%).

Совершенно очевидно, что если и удастся когда-нибудь смоделировать все реальные условия, приводящие к образованию трещин на покрытии, то такой прибор и метод вряд ли будет достаточно прост и приемлем для заводских лабораторий. Поэтому за критерий обоснованности предлагаемой методики приняли наличие тесной корреляции между значением температуры хрупкости вяжущих по методу Фрааса и по предлагаемому методу.

Решили, что если экспериментально удастся подтвердить наличие достаточной корреляции между температурой хрупкости вяжущего по Фраасу и по предлагаемому нами методу при одноразовом изгибе на указанном шаблоне, можно будет считать этот метод приемлемым для сопоставления асфальтобетонов и полимерасфальтобетонов по хрупкости и по трещиностойкости.

В данном методе нами предлагается за температуру хрупкости (Тхр) полимерасфальтобетона при изгибе плиточек размером 50×25×4 мм, приготовленных из фракции 1,25÷0,63 полимерасфальтобетонной смеси при постепенном (периодическом) понижении температуры со скоростью 20° С/час, принимать температуру, при которой на одной из шести испытываемых плиточек (образцов) образуется трещина. А за температуру трещиностойкости (Tтp) принимается самая низкая отрицательная температура, при которой все шесть плиточек выдержали испытание на изгиб.

Для подтверждения наличия достаточной корреляции между температурой хрупкости вяжущего по Фраасу и по предлагаемому нами методу были взяты битумы марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 и полимерно-битумные вяжущие марок ПБВ 60, ПБВ 90, ПБВ 130 и ПБВ 200 и из них приготовлены образцы-плиточки.

Для оценки общей картины корреляции между Тхр и Т фхр вяжущих воспользуемся данными, представленными в таблице 3 и на рисунке 5.

Таблица 3. Температура хрупкости вяжущих по Фраасу и по предлагаемому методу

№ п/п

Марка вяжущего

Состав вяжущего в %

Темпера­тура хрупкости образцов вяжущего (по нашей методике), Тар, С

Температура крупности по Фраасу, С

Абсолют­ное отклоне­ние, %

Относите­льное отклоне­ние, %

Общее среднее отклоне­ние для битумов и ПБВ отдельно, %

Общее среднее отклоне­ние для всех вяжущий, %

дст

И-40А

Темпера­тура хрупкости по Фраасу (экспери­мент)

Темпера­тура хрупкости по Фраасу (расчет)

1

БНД 60/90

-

-

-18

-16

-16,80

0,80

5,0

5,91

6,00

2

БНД 90/130

-

5,0

-20

-20

-18,58

1,42

7,1

3

БНД 130/200

-

7,0

-25

-23

-23,03

0,03

0,13

4

БНД 200/300

-

10,0

-25

-26

-23,03

2,97

11,42

5

ПБВ 60

3,0

6,0

-25

-21

-23,03

2,03

9,66

6,09

6

ПБВ 90

3,0

10,0

-30

-26

-27,49

1,49

5,73

7

ПБВ 130

3,0

13,0

-29

-28

-26,60

1,40

5,0

8

ПБВ 200

3,0

21,0

-40

-35

-36,40

1,40

4,0

Среднее значение

1,44

Примечание :

1. Битумы и ПБВ готовились на основе битума марки БНД 60/90 (инд. 1948).

2. Абсолютное отклонение (ΔТ фхр) - это разность между экспериментальным и расчетным значением Т фхр, °С

3. Относительное отклонение -

Рис. 5. Взаимосвязь между температурами хрупкости вяжущих по Фраасу (Т фхр.) и предлагаемому методу (Тхр).

Как видно, наблюдается весьма высокая корреляция между этими параметрами, а взаимосвязь между температурой хрупкости ПБВ и битумов по Фраасу (Т фхр) и температурой хрупкости образцов (Тхр) из этих вяжуших описывается следующей линейной зависимостью:

Тхр = 1,1224 Т фхр + 0,8584 R2 = 0,915,                                                                     (1)

где R2 - величина достоверности аппроксимации.

При этом коэффициент парной корреляции составляет 0,96.

Расчеты температуры хрупкости по Фраасу по формуле 1 с использованием экспериментально полученных результатов температуры хрупкости образцов из вяжущих по предлагаемому методу приведены также в таблице 3.

Как видно из представленных данных абсолютное отклонение между двумя показателями Тхр. эксперимент. и Т фхр.расчет. не превышает 3° С, что соответствует сходимости двух результатов определения Т фхр по ГОСТ 11507.

Полученные данные позволяют заключить, что предлагаемый метод имеет право на существование как минимум для сопоставления качества, а именно трещиностойкости двух различных материалов. Можно полагать, что такой метод заметно проще, чем регламентированный ГОСТ 11507, а посему может быть использован в качестве экспресс-метода оценки температуры хрупкости органических вяжущих материалов и мастик.

При оценке температуры хрупкости полимерасфальтобетона или асфальтобетона на основе испытания фракции асфальтовяжущего имеет место испытание очень тонких слоев вяжущего (5÷10 мкм) по сравнению с толщинами слоев вяжущего на приборе Фрааса.

В связи с этим оценили, насколько тесно коррелируются показатели температуры хрупкости вяжущих (Т фхр) и температуры хрупкости образцов полимер- или асфальтобетона (Тхр). Для этого были приготовлены 24 смеси: полимерасфальтобетонные типов А, Б, Д на основе ПБВ марок ПБВ 60, ПБВ 90, ПБВ 130 и ПБВ 200 и асфальтобетонные типов А, Б, Д на основе битумов марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300. Для всех вяжущих был определен комплекс стандартных показателей, представленный в таблице 4.


Таблица 4. Стандартные показатели свойств вяжущих

№ п/п

Наименование показателей

Состав в %

Глубина проника­ния иглы 0,1 мм, при

Растяжи­мость, см, при

Температура, °С

Изменение после прогрева 163°, 5 ч, 4 мм

Сцепление В баллах, с

Эластич­ность, %, при

Интервал работоспо­собности (Тразм - Тхр) °С

Наименование образца

д c т

И - 40А

25°С

0°С

25°С

0°С

раз­мяг­че­ния

хруп­кости

вспы­шки

массы, %

Темп. разм., °С

воль­ским пес­ком

мра­мором

гра­нитом

габ­бро­диа­ба­зом

сычев­ским песком

25°С

0°С

1

БНД 60/90

-

-

63

30

>100

5

49

-17

274

0

6 (55)

2

4

2

2

4

-

-

66

2

БНД 90/130

-

5

139

55

>100

10

47

-24

279

0,19

10 (57)

3

3

1

2

1

-

-

71

3

БНД 130/200

-

7

170

61

>100

11

45

-22

285

0,17

7 (52)

3

3

1

2

1

-

-

67

4

БНД 200/300

-

10

212

81

>100

20

41

-32

271

0,17

7 (48)

4

3

2

4

3

-

-

73

5

ПБВ 60

3

6

100

53

25

17

56

-22

264

0,2

7 (63)

4

3

2

2

2

78

70

78

6

ПБВ 90

3

10

136

68

42

15

54

-25

254

0,3

8 (62)

4

4

1

1

1

96

76

79

7

ПБВ 130

3

13

152

79

46

24

58

-32

266

0,16

3 (61)

3

3

1

1

1

93

85

90

8

ПБВ 200

3

21

231

79

34

38

58

-38

254

0,2

-4 (54)

3

2

1

1

1

97

92

96

Примечание : Битумы и ПБВ приготовлены на основе битума марки БНД 60/90 (инд. 1928)


После отсева из предварительно охлажденных полимерасфальтобетонных и асфальтобетонных смесей фракции 1,25÷0,63 в соответствии с ГОСТ 12801-98 (пп. 5, 6) готовились 3 образца-диска диаметром 71,4 мм и высотой 4 мм при температуре 160° С и давлении 40 МПа. Готовые образцы-диски выдерживались на воздухе 15 часов. Затем из каждого цилиндрического диска разогретым ножом вырезался квадрат 50×50 мм, который этим же ножом делился на 2 равные части 50×25 мм. Образцы-плитки размером 50×25×4 мм до испытания выдерживались при комнатной температуре 1 час.

Приготовленные образцы испытывались последовательно для сопоставления трещиностойкости асфальтобетона и полимерасфальтобетона. Например, вначале определялась температура хрупкости асфальтобетона типа А на основе битума марки БНД 60/90, а затем полимерасфальтобетона типа А на основе полимерно-битумного вяжущего марки ПБВ 60 и т.д.

Испытания образцов проводились следующим образом. Образцы в количестве 6 штук помещались в морозильную камеру и выдерживались при температуре 0° С ± 0,1° С в течение 30 мин. По истечении этого времени образцы по очереди извлекались из морозильной камеры и прикладывались концом к отметке на шаблоне. Свободную часть образца изгибали в течение 2 с по шаблону до полного соприкосновения образца с ним. При отсутствии трещин или изломов образцы полимерасфальтобетона выпрямляли на плоской поверхности и вновь помешали в морозильную камеру, температуру в которой снижали на 5° С, выдерживали в течение 30 мин и вновь проводили испытание на пластине.

Результаты определения Тхр образцов-плиточек из полимерасфальтобетонных и асфальтобетонных смесей приведены в таблице 5. Анализ результатов испытаний показывает, что значения Т фхр вяжущих очень близки к Тхр плиток из асфальтовяжущего на их основе.

Таблица 5. Расчеты Т фхр в зависимости от заданного значения Ттр и Тхр полимерасфальтобетона (асфальтобетона)

№ п/п

Марка вяжущего в смеси

тип смеси

температура хрупкости образцов (экспер.) Т0хр, °С

температура трещино­стойкости образцов, °С, Ттр

температура хрупкости вяжущего по фраасу, °С

абсолют­ное откло­нение, ° с,

относи­тельное откло­нение, %

среднее откло­нение, %

общее среднее откло­нение, %

экспери­мент

расчетная

1

БНД 60/90

А

-20

-15

-17

-17,33

0,33

1,94

6,97

8,2

2

Б

-20

-15

-17

-17,33

0,33

1,94

3

Д

-20

-15

-17

-17,33

0,33

1,94

4

БНД 90/130

А

-25

-20

-24

-22,97

1,03

4,29

5

Б

-20

-15

-24

-17,33

6,67

27,79

6

Д

-25

-20

-24

-22,97

1,03

4,29

7

БНД 130/200

А

-25

-20

-22

-22,97

0,97

4,40

8

Б

-25

-20

-22

22,97

0,97

4,40

9

Д

-25

-20

-22

22,97

0,97

4,40

10

БНД 200/300

А

-30

-35

-32

-28,61

3,39

10,6

11

Б

-30

-25

-32

28,61

3,39

10,6

12

Д

-35

-30

-32

34,26

2,26

7,06

9,48

13

ПБВ 60

А

-25

-20

-22

-22,97

0,97

4,40

14

Б

-25

-20

-22

-22,97

0,97

4,48

15

Д

-25

-20

-22

-22,97

0,97

4,48

16

ПБВ 90

А

-30

-25

-25

-28,61

3,61

14,4

17

Б

-20

-15

-25

-17,33

7,67

30,68

18

Д

-30

-25

-25

-28,61

3,61

14,44

19

ПБВ 130

А

-35

-30

-32

-34,26

2,26

7,06

20

Б

-35

-30

-32

-34,26

2,26

7,06

21

Д

-35

-30

-32

-34,26

2,26

7,06

22

ПБВ 200

А

-40

-35

-38

-39,90

1,98

5,0

23

Б

-35

-30

-38

-34,26

3,74

9,84

24

Д

-40

-35

-38

-39,90

1,90

5,0

Среднее

28,12

23,54

26,5

2,24

Примечание : Абсолютное отклонение (ΔТ фхр) - это разность между экспериментальным и расчетным значением Т фхр, °С.

Относительное отклонение -

В связи с тем, что именно органические вяжущие определяют трещиностойкость материала покрытия, т.к. при снижении температуры они переходят из вязко-пластичного в упруго-хрупкое состояние, то очевидно, что при наличии тесной корреляции между температурами хрупкости вяжущего (Т фхр) и материала на его основе (Тхр) можно регулировать трещиностойкость (Ттр) асфальтобетона и полимерасфальтобетона, применяя вяжущие с необходимой температурой хрупкости (Т фхр), а также рассчитывать требуемую Тфхр вяжущего по заданной из условий эксплуатации Ттр.

Зависимость температуры хрупкости образцов из полимер- и асфальтобетонных смесей от температуры хрупкости вяжущих описывается следующим линейным уравнением.

Тхр = 0,886 Т фхр - 4,6448                                                                                            (2)

Величина достоверности аппроксимации между этими параметрами составляет 0,8313, а коэффициент парной корреляции - 0,91.

Такой результат позволяет на основе определения Тхр рассчитывать Т фхр вяжущего, которое применялось для изготовления данной смеси, отобрав ее на данном АБЗ или непосредственно на трассе, отобрав пробу из асфальтоукладчика.

При этом среднее абсолютное отклонение расчетной температуры хрупкости по Фраасу от экспериментально полученных результатов составляет 2,24° С (таблица 5), что соответствует сходимости двух результатов определения Т фхр по ГОСТ 11507.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что с увеличением абсолютного значения температуры хрупкости вяжущих практически прямо пропорционально увеличивается абсолютное значение температуры хрупкости образцов из смесей. Важно отметить, что при одинаковой температуре хрупкости вяжущих (БНД и ПБВ) температура хрупкости полимерасфальтобетона ниже (лучше), чем для асфальтобетона, по-видимому, в связи с меньшей диффузией легких углеводородов в поры минерального материала.

Полученные данные позволяют предположить наличие тесной взаимосвязи между температурой хрупкости вяжущих по Фраасу (Т фхр) и температурой трещиностойкости асфальтобетонных и полимерасфальтобетонных смесей (Ттр).

На основе данных таблицы 5 по Т фхр и Ттр получена линейная зависимость температуры трещиностойкости (Ттр) образцов из смесей от температуры хрупкости вяжущих (Т фхр), входящих в их состав.

Ттр = 0,886 Т фхр + 0,3552                                                                                           (3)

Поскольку величина достоверности достаточно высока - равна 0,8313, то появилась возможность рассчитать температуру хрупкости вяжущего (Т фхр) по Фраасу, позволяющую обеспечивать требуемую температуру трещиностойкости полимерасфальтобетона или другого материала для устройства покрытия, а также определить отклонение расчетного значения Т фхр от ее фактического значения. Результаты расчетов по уравнению (3) представлены в таблице 5 (столбцы 6, 7, 8, 9, 10), и они совпадают с расчетами по уравнению (2). Как видно из приведенных данных для обеспечения требуемой Ттр, значение Т фхр должно быть ниже в среднем на 3° С.

Исходим из того, что Ттр полимерасфальтобетона для устройства верхнего слоя покрытия должна быть не выше температуры наружного воздуха наиболее холодных суток (см. СНиП 23.01.99) района его эксплуатации.

Для того чтобы выяснить возможность определения Тхр из кернов (вырубок) готового покрытия, были приготовлены образцы-плитки из испытанных ранее образцов полимерасфальтобетона и асфальтобетона из смесей типов А, Б, В, Г, Д на основе битума марки БНД 60/90 и полимерно-битумных вяжущих марок ПБВ 60 и ПБВ 90.

Результаты испытаний приведены в таблице 6.

Таблица 6. Температура хрупкости и трещиностойкости испытанных ранее образцов

№ п/п

Тип смеси

Марка вяжущего

Процент содержания вяжущего в смеси (свыше 100%)

Состав вяжущего, %

Температура крупности, °С

Температура трещиностойкости образцов,°С

БНД 60/90

дст

И-40 A

вяжущего

образцов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

А

БНД 60/90 (1948)

4,4

100

-

-

-

-

-

ПБВ 60

4,0

89,5

3,5

7

-

-

-

ПБВ 90

4,2

86,5

3,5

10

-27

-10

-5

4,4

86,5

3,5

10

-

-

-

4,6

86,5

3,5

10

-27

-15

-10

2

Б

БНД 60/90 (1948)

4,5

180

-

-

-17

-10

-5

ПБВ 60

4,5

89,5

3,5

7

-21

-20

-15

ПБВ 90

4,5

86,5

3,5

10

-27

-30

-25

4,5

85,0

5,0

10

-29

-25

-20

3

В

БНД 60/90 (1948)

4,8

100

-

-

-17

-10

-5

ПБВ 60

4,8

89,5

3,5

7

-21

-15

-10

ПБВ 90

4,8

86,5

3,5

10

-27

-25

-20

4

Г

БНД 60/90 (1948)

7,6

100

-

-

-17

-5

0

ПБВ 60

7,6

89,5

3,5

7

-21

-15

-10

ПБВ 90

7,6

86,5

3,5

10

-27

-15

-10

5

д

БНД 60/90 (1948)

7,2

100

-

-

-17

-10

-5

ПБВ 60

7,2

89,5

3,5

7

-21

-20

-15

ПБВ 90

7,2

86,5

3,5

10

-27

-25

-20

По полученным данным для образцов и для сравнения в таблице 5 для смесей были построены две зависимости температуры хрупкости образцов от температуры хрупкости вяжущего, входящего в состав смеси (рисунок 6).

Рис. 6. Зависимость температуры хрупкости (Тхр.) образцов из смесей (1) и испытанных образцов-«семерок» (2) от температуры хрупкости вяжущих по Фраасу (Тхр.).

Из рисунка следует, что температура хрупкости образцов-плиточек из недавно приготовленной смеси заметно лучше, чем из образцов-«семерок». Можно предположить, что в том случае, если Тхр определяют из образцов, взятых из готового покрытия, то на результат испытания оказывает отрицательное влияние необходимость повторного разогрева смесей, что приводит к ухудшению этого показателя на (7-10)° С. Таким образом, вопрос испытаний образцов из материала (керна-вырубки) покрытия требует дальнейших исследований с целью уточнения величины отклонения показателя Тхр от аналогичного показателя для исходной смеси.

Для ответа на вопросы: зависит ли Тхр от типа смеси, а следовательно и толщины пленки вяжущего на частицах смеси и от относительного удлинения образца-плиточки из этой смеси, провели следующие специальные исследования.

Так как ГОСТ 9128-97 регламентирует содержание минерального порошка ( ГОСТ Р 52129-2003), в частности, пределы его фракции менее 0,071 мм и пределы содержания битума, то это позволяет оценить минимальную и максимальную концентрации минерального порошка в асфальтовяжущем (см. табл. 7).

Таблица 7. Концентрация минерального порошка асфальтовяжущих в асфальтобетонах разных типов по ГОСТ 9128-97

№ п/п

Вид и тип смесей и асфальтобетонов

Содержание фракции минерального порошка < 0,071,мм (М.П.)

Содержание битума (Б), % по массе

min Б

m ах Б

min Б

m ах Б

1.

Горячие: Высокоплотные плотные типов:

10-16

4-6

80

73

71,4

62,5

Непрерывные зерновые составы

2.

А

4-10

4,5-6

69

62,5

47,1

40

3.

Б

6-12

5-6,5

70,5

65

54,5

48

4.

В

8-14

6-7

70

67

57,1

53,3

5.

Г

8-16

6-9

73

64

57,1

47,1

6.

Д

10-16

6-9

73

64

62,5

52,6

Прерывистые зерновые составы

7.

А

4-10

4,5-6

69

62,5

47,1

40

8.

Б

6-12

5-6,5

70,5

65

54,5

48

Исходя из этого, были приготовлены образцы-плиточки из асфальтовяжущего на битуме марки БНД 60/90 и ПБВ 130 с содержанием минерального порошка 0, 60, 70, 80, 82 и 85% для определения температуры хрупкости на шаблонах с диаметрами 56, 80, 100, 140, 200 и 240 см.

Результаты испытаний представлены в таблице 8 и на рисунках 7, 8

Таблица 8. Определение температуры хрупкости образцов асфальтовяжущего и полимерасфальтовяжущего при различном относительном удлинении

№ п/п

Содержание мин. порошка <0,071, %

Марка вяжущего

БНД 60/90

ПБВ 130

Диаметр шаблона, см

Относительное удлинение, %

Диаметр шаблона,см

Относительное удлинение,%

1,42 \56

1,00 \80

0,80 \100

0,57 \140

0,40 \200

0,33 \240

1,41 \56

1,00 \80

0,80 \100

0,57 \140

0,40 \200

0,33 \240

1.

0

Температура хрупкости образцов, °С

-15

-10

-10

-10

-5

-5

-30

-30

-30

-30

-30

-35

2.

60

-15

-15

-15

-15

-15

-15

-30

-30

-30

-30

-30

-30

3.

70

-10

-5

-15

-5

-10

-10

-30

-30

-30

-30

-30

-35

4.

80

-20

-25

5.

82

-10

-30

6.

85

+22

+22

Примечание : Т фхр (БНД 60/90) =-16° С

Т фхр (ПБВ 130) = -28° С

Рис. 7. Зависимость Тхр. от ε образцов асфальтовяжущего на БНД 60/90 с 1 - - 0% м.п., 2 -▲- 60% м.п., 3 -■- 70% м.п. и на ПБВ 130 с, 4 -○- 0% м.п., 5 -∆- 60% м.п., 6 -□-70% м.п. (м.п. - минеральный порошок)

Рис. 8. Зависимость Тхр. от содержания минерального порошка (м.п.) образцов

1 - - асфальтовяжущего на БНД 60/90 и 2 -х- полимерасфальтовяжущего на ПБВ 130

Из рисунка 7 и таблицы 8 видно, что температура хрупкости практически не зависит от относительного удлинения ни образцов на основе ПБВ и характеризуется более низким значением при минимальном относительном удлинении 0,3%, что, может быть, по-видимому, обусловлено ориентационным эффектом. Для плиточек на основе битума наблюдается заметное улучшение показателя Тхр с увеличением относительного удлинения, что пока объяснить трудно без специальных исследований. Введение 60% порошка в битум заметно улучшает Тхр по сравнению с чистым битумом, что, по-видимому, связано с извлечением хрупких смол и асфальтенов из битума за счет адсорбции их поверхностью порошка. Причем это наблюдается особенно резко при малых ﻉ, близких к реальным. Увеличение содержания порошка до 70% значительно ухудшает Тхр, что можно объяснить, по-видимому, уменьшением содержания углеводородов в битумных прослойках за счет фильтрации их в поры порошка. Эти данные носят предварительный характер, но свидетельствуют о положительном влиянии порошка на Тхр асфальтобетона при его содержании до 60% в асфальтовяжущем.

Увеличение содержания минерального порошка в ПБВ и собственное его наличие в полимерасфальтовяжушем практически не влияет на значение Тхр, что свидетельствует о затруднении или невозможности десорбции компонентов из ПБВ и их фильтрации в поры минерального порошка.

Тхр полимерасфальтовяжушего не зависит от содержания минерального порошка (см. рис. 8 и табл. 8) до определенного предела - 82%, а асфальтовяжушего до - 80%. Далее Тхр резко ухудшается и при содержании порошка 85%, имеет положительное значение как в случае битума, так и ПБВ. Очевидно, что при содержании минерального порошка более 80% для битума и 82% для ПБВ резко уменьшается число коагуляционных контактов в этой системе, что недопустимо как для асфальтобетона, так и для полимерасфальтобетона.

Проведенные нами расчеты показали, что толщина пленки вяжущего при 60%, 70%, 80% и 82% порошка по массе составляет соответственно 2,75 мкм, 1,86 мкм, 1,18 мкм и 1,06 мкм, а при 85% порошка толщина пленки составляет 0,9 мкм. При этом плотность простейшей упаковки сферических частиц 0,487 достигается при 48% порошка, наиболее вероятной 0,613 при 60,5%, а специальной плотнейшей 0,7405 при 73,2%. При этом объем частиц порошка с сольватной оболочкой равной 0,27 мкм при 80% порошка по массе составляет 0,809, а при 82% - 0,83.

Эти особенности необходимо учитывать при разработке требований к гранулометрическому составу полимерасфальтобетонных смесей.

Хотелось бы также отметить еще ряд преимущественных особенностей полимерасфальтобетона по сравнению с ас фальтобетоном.

Анализ кривых зависимости температуры хрупкости образцов из полимер- и асфальтобетонных смесей типов А, Б и Д от глубины проникания иглы вяжущих при 25° С (рис. 9) показывает, что при равных значениях пенетрации ПБВ и битумов при 25° С температура хрупкости полимерасфальтобетонных смесей типов А, Б и Д значительно ниже (лучше), чем для асфальтобетонных.

Рис. 9. Зависимость Тхр. образцов асфальтобетонных смесей (1 -○- тип А, 2 -∆- тип Б, 3 -◊- тип Д) и полимерасфальтобетонных смесей (4 • тип А, 5 - - тип Б, 6 -♦- тип Д) от глубины проникания иглы вяжущих при 25 С

И эта разница между Тхр полимер- и асфальтобетонных смесей тем ярче, чем выше пенетрация вяжущего. Применение ПБВ позволяет в отличие от битумов добиваться требуемой температуры хрупкости полимерасфальтобетонных покрытий.

На рисунке 10 приводится зависимость Тхр образцов полимер- и асфальтобетонных смесей типов А, Б, Д от температуры размягчения вяжущего.

Рис. 10. Зависимость Тхр. образцов асфальтобетонных смесей (1 -○- тип А, 2 -∆- тип Б, 3 -◊- тип Д) и полимерасфальтобетонных смесей (4 - - тип А, 5 - - тип Б, 6 -♦- тип Д) от температуры размягчения вяжущих.

На рисунке видно, что зависимости для асфальтобетонных и полимерасфальтобетонных смесей носят качественно разный характер. Для смесей на битуме с увеличением температуры размягчения температура хрупкости ухудшается и стремится к плюсовому значению. В случае со смесями на ПБВ с увеличением температуры размягчения температура хрупкости практически пропорционально понижается (т.е. улучшается), что обусловлено разной структурой этих вяжуших. Очевидно, что варьируя содержанием компонентов в составе ПБВ, можно добиваться улучшения одновременно двух очень важных эксплуатационных показателей Тразм. и Т фхр вяжущих и соответственно как трещиностойкости, так одновременно и сдвигоустойчивости дорожных покрытий.

Таким образом предлагается метод определения температуры трещиностойкости материалов, применяемых для устройства покрытий. При этом величина относительного удлинения в образце-плитке в 4 раза превышает относительное удлинение в реальном покрытии, что позволяет компенсировать многократность воздействия нагрузки. Установлены высокие коэффициенты корреляции между температурой хрупкости ПБВ и битумов по Фраасу (Т фхр) и Ттр асфальтобетонов и полимерасфальтобетонов, что в свою очередь позволяет подтвердить преимущества полимерасфальтобетона перед асфальтобетоном. Этот метод даст возможность подобрать составы материалов для покрытий с требуемой для любой климатической зоны и условий движения трещиностойкостью.

В дальнейшем, по мере накопления данных, этот показатель (Ттр) может быть регламентирован в комплексе технических требований к полимерасфальтобетону и асфальтобетону.

В заключение хотелось бы отметить, что предлагаемый метод прост и одновременно нагляден для применения в заводских лабораториях при оценке трещиностойкости материалов на основе битумов и ПБВ, а также устроенных с их использованием покрытий.

На основании проведенных исследований подготовлен ОДМ 218.2.001-2007 «Метод определения трещиностойкости полимерасфальтобетона при отрицательных температурах», утвержденный Росавтодором Минтранса России за № 31-Р от 01.02.2007 г.

(Журнал «Автомобильные дороги» № 6 2007 г.)

Еще бесплатно скачать

Рейтинг:
  • Итоги рейтинга 2.00/5
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
2.0/5 (1 голос)

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:

RSS
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить