В данной статье рассмотрены основные свойства асфальтобетонов, которые необходимо учитывать при оценке прочностных и эксплуатационных качеств дорожных покрытий, рассмотрены факторы, влияющие на прочность и деформационные характеристики асфальтобетона.
Ключевые слова: асфальтобетон, дорожное покрытие, прочность и деформация.
This article discusses the main properties of asphalt concrete, which must be taken into account when assessing the strength and performance qualities of road surfaces, factors affecting the strength and deformation characteristics of asphalt concrete are considered.
Keywords : asphalt concrete, road surface, strength and deformation.
При оценке прочностных и эксплуатационных качеств дорожных асфальтобетонных покрытий необходимо учитывать свойства асфальтобетона, которые оказывают наибольшее влияние на структуру этого покрытия и его работу в процессе эксплуатации. При этом также необходимо учитывать и свойства слоев основания, которые участвуют в работе конструкции и вносят определенные особенности в процессы формирования дорожной одежды.
Изучению асфальтобетонного строительного материала, применяемого в дорожной сфере, посвящено большое количество исследований, в которых подробно описаны основные свойства этого материала, подкрепленные лабораторными опытами. На основании лабораторных испытаний выявлены основные свойства и процессы, которые протекают в асфальтобетоне и оказывают основное влияние на прочность конечного покрытия и его эксплуатационные качества.
Асфальтобетонявляется сложным многокомпонентным материалом, который получают путем уплотнения специально приготовленной смеси, состоящей из минерального заполнителя и битума [1, 2].
К основным параметрам асфальтобетона, определяющим прочностные и эксплуатационные свойства покрытий, относятся:
– параметры, характеризующие минеральную часть асфальтобетона, структуру и свойства минеральных материалов;
– процессы структурообразования, содержание битума;
Основа прочностных свойств асфальтобетона закладывается на начальной стадии — при подборе состава смеси путем учета параметров, характеризующих минеральную часть: плотность минерального остова, величина внутреннего трения, структура и свойства материалов.
Плотность минеральной части определяет плотность асфальтобетона, от которой зависят важнейшие свойства покрытия: прочность, деформационная устойчивость при высоких и низких температурах, морозостойкость и водостойкость, коррозионная устойчивость. От плотности минерального остова зависят количество свободного битума и характер его распределения в асфальтобетоне. В процессе подбора смеси плотность минеральной части обеспечивается подбором гранулометрического состава. В дальнейшем, при уплотнении, формируется плотный минеральный каркас, обеспечивающий основные прочностные характеристики асфальтобетонных покрытий.
Определяющую роль в структурно-механических свойствах асфальтобетона и, соответственно, в эксплуатационно-прочностных свойствах покрытий играют минералогический состав, структура, размер, форма поверхности и соотношение частиц минеральной части асфальтобетонной смеси. В асфальтобетоне принято различать смеси непрерывной и прерывистой гранулометрии.
Внутреннее трение минеральной части асфальтобетонной смеси также оказывает влияние на прочность и деформационные характеристики асфальтобетона. Заданные свойства асфальтобетона обеспечиваются наличием сил трения и сцепления в системе. Таким образом, внутреннее трение минеральной части, количество и вязкость битума оказывают влияние на внутреннее трение асфальтобетона в покрытии.
Структура и свойства минеральных материалов предопределяют характер процессов взаимодействия с битумом. Прежде всего это относится к химически активным материалам и материалам, обладающим различной степенью пористости. Эm свойства изменяют процессы структур образования асфальтобетона в момент приготовления и укладки, а также с течением времени в процессе эксплуатации покрытия. Помимо этого, прочностные характеристики и форма минерального материала влияют шероховатость и истираемость покрытия.
Процессы, связанные со структурообразованием, активируются с момента приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси и протекают во время эксплуатации покрытия. Структурообразование включает главным образом взаимодействие минеральных материалов с битумом и влияет на прочность асфальтобетона в широком интервале температур, коррозионную устойчивость, интенсивность, процессов старения, вода- и морозостойкость асфальтобетона.
Решающими факторами, влияющими на процессы структурообразования, являются свойства и структура минерального материала и свойства применяемого битума. При взаимодействии битума с минеральным материалом протекает обширный комплекс процессов, включающих физическую и химическую адсорбцию минеральной поверхностью слоя битума, избирательную диффузию компонентов битума в минеральный материал, вследствие которой могут существенно изменяться свойства битума и свойства минеральных материалов.
Прочность сцепления пленки битума с поверхностью минерального материала зависит от характера связи, возникающей на границе этих материалов. Различают два вида связи: химическую и физическую адсорбцию. В асфальтобетоне при физической адсорбции битума к поверхности минерального материала действуют только физические силы притяжения, приводящие к образованию на каменной подкладке ориентированных слоев битума. При этом химических изменений в приближенном слое битума не происходит. Химическая адсорбция приводит к изменению химического состава адсорбированного слоя битума.
Однако наряду с химической адсорбцией имеет место наличие и физических сил притяжения, затрагивающих несколько слоев молекул битума. Таким образом, при наличии химической адсорбции возникает наиболее прочная связь битума с минеральным материалом. Химическая адсорбция осуществляется при объединении карбонатных и основных горных пород с битумом. При этом наблюдается возникновение новых химических соединений в зоне контакта битума с минеральным материалом, устойчивых в присутствии поды, и тем самым формируется более прочная структура асфальтобетона, чем при применении в качестве минерального заполнителя кислых горных пород.
Наряду с сорбционными процессами при объединении минеральных материалов с битумами имеет место проникновение битума или его компонентов в глубь минерального заполнителя за счет диффузии вдоль узких капилляров. Особенно интенсивны эти процессы при применении пористых заполнителей, таких как известняки и металлургические шлаки; они протекают, как и сорбционные, с момент перемешивания смеси в смесителе и в процессе эксплуатации длительное время.
Применение водопроницаемых асфальтобетонов позволяет получить высокие эксплуатационные качества покрытий, высокий коэффициент сцепления, практически исключить возможный эффект аквапланирования и значительно понизить гололедообразование на них. Однако следует заметить, что применение открытых водопроницаемых асфальтобетонов возможно в случае отвода воды из конструкции по нижележащим слоям или же при наличии в слоях основания материалов, не снижающих своих свойств в случае переувлажнения (например, щебня или крупнообломочных грунтов, укрепленных малоактивными гидравлическими вяжущими, а также щебня из металлургических шлаков).
Свойства асфальтобетона, уложенного в покрытии автомобильной дороги, являются определяющими при формировании эксплуатационнопрочностных показателей покрытий автомобильных дорог. К ним можно отнести прочность, сдвигоустойчивость, морозостойкость, шероховатость, истираемость.
Учитывая влияние свойств применяемых материалов па процессы структурообразования асфальтобетона, можно отметить, что различие свойств материалов приводит к различию данных прочностных характеристик асфальтобетона при учете их с течением времени и при различных способах нагружения.
Асфальтобетон является материалом, у которого прочностные и деформативные характеристики зависят от температуры. При высоких положительных температурах в связи со снижением вязкости битума понижается прочность асфальтобетона, при низких температурах вязкость битума увеличивается, а с нею повышается и прочность. Показатели прочности при этом изменяются в широких пределах.
Характерными признаками недостаточной сдвигоустойчивости асфальтобетона являются волны и наплывы в местах остановки автотранспорта, на перекрестках в местах торможения, на спусках и подъемах. Эти деформации появляются в связи со значительными горизонтальными усилиями, возникающими при торможении и разгоне автотранспорта.
На сдвигоустойчивость асфальтобетона оказывают влияние следующие факторы: свойства битума и свойства минеральных материалов, гранулометрический состав асфальтобетона. При выборе битума для приготовления асфальтобетонов, устойчивых к теплу, нужно руководствоваться тем, чтобы битум в меньшей степени изменял вязкость и когезию в интервале температур, при которых протекает работа дорожных покрытий.
Оценивая влияние свойств асфальтобетона на эксплуатационнопрочностные характеристики покрытий, необходимо отметить, что несмотря на то, что именно покрытие после ввода дороги в эксплуатацию определяет все основные транспортно-эксплуатационные показатели, особое влияние па развитие и изменение эксплуатационно-прочностных характеристик во времени оказывает конструкция дорожной одежды.
Дорожная одежда является многослойным сооружением, у которого все конструктивные элементы должны воспринимать нагрузку комплексно, то есть во взаимосвязи друг с другом. Следовательно, рассматривая влияние свойств асфальтобетона, уложенного в покрытие, на формирование эксплуатационно-прочностных показателей покрытий автомобильной дороги, необходимо учитывать определенную долю влияния и свойств слоев основания.
Слои основания, их качество и качество применяемых материалов в главной степени отвечают за прочностные свойства всей дорожной конструкции. Работая совместно со слоями накрытия, они должны воспринимать все расчетные нагрузки от проходящих транспортных средств и работать по расчету в упругой стадии без возникновения остаточных деформаций, обеспечивая тем самым прочность дорожной, одежды в целом. Данный показатель практически оценивается величиной упругого прогиба (упругой деформации) от прилагаемой нагрузки и при пересчете модулем упругости дорожной одежды.
При использовании различных материалов в конструктивных слоях оснований дорожных одежд и различных способах их уплотнения и укладки наблюдаются отличия изменения модуля упругости дорожной одежды с течением времени. В результате динамических воздействий автомобильного транспорта происходит разрушение отдельных частиц слоев из несвязных материалов, их разуплотнение, что приводит к появлению колейности на покрытии и снижению прочности дорожной одежды.
В то же время в случае использования в конструктивных слоях материалов, укрепленных малоактивными гидравлическими вяжущими, или в слоях из металлургических шлаков наблюдается увеличение модуля упругости всей конструкции с течением времени. Это объясняется прохождением процессов гидратации, приводящих к омоноличиванию таких оснований. Поэтому показатель модуля упругости дорожной одежды и свойства слоев основания также являются определяющими в формировании эксплуатационно-прочностных показателей асфальтобетонных покрытий, особенно при их изменении во времени.
Определяющее влияние на формирование эксплуатационно- прочностных показателей оказывают свойства и зерновой состав минеральной части асфальтобетона. В районах с развитой металлургической промышленностью в качестве минеральных материалов для приготовления асфальтобетона могут с успехом использоваться различные разновидности шлаковых материалов.
Более глубокое и всестороннее изучение деформационно-прочностных свойств шлаковых асфальтобетонных покрытий с установлением их расчетных характеристик является актуальной задачей, решение которой позволит обосновать и расширит область применения шлаковых асфальтобетонов при строительстве и ремонте автомобильных дорог.
Литература:
- Красиков, О. А. Обоснование стратегии ремонта нежестких дорожных одежд / О. А. Красиков: Автореф. дисс. докт. техн. наук. — М.: 2000.
- Резванцев, В. И. Шлаковые асфальтобетонные покрытия: эксплуатационно-прочностные свойства: Монография / В. И. Резванцев, В. Г. Еремин. — Воронеж: ВГУ, 2002.
