Изменение физико-механических свойств асфальтобетонных покрытий на опытных участках автомобильных дорог в процессе эксплуатации

Наиболее распространенным материалом для строительства автомобильных дорог с твердым покрытием является асфальтобетон. В ГОСТ 9128-2013 [3] дано определение асфальтобетонной смеси: это рационально подобранная смесь минеральных материалов и песка с минеральным порошком с битумом, взятых в определенных соотношениях. Важнейшей составляющей асфальтобетона является асфальтовое вяжущее вещество – бинарная система, состоящая из битума как среды и минерального порошка как дисперсной фазы [1, 2, 4, 5].

Минеральный порошок в асфальтобетоне выполняет роль структурирующей добавки, основная цель которой - перевести битум из объемного состояния в пленочное, т.е. в такое состояние, в котором битум характеризуется бо_́льшей вязкостью и прочностью.

В ранее проведенных исследованиях было доказано, что минеральные порошки, производимые из местного минерального сырья (природного цеолита и бурого угля), обладают высоким структурирующим воздействием на битум, благодаря чему наблюдается улучшение физико-механических свойств асфальтобетонов [1, 2].

В 2012 г. была достигнута договоренность с ОАО «Сахаавтодор» о строительстве опытных участков автомобильных дорог с применением минеральных порошков, изготовленных из местного минерального сырья. Всего было заложено 3 опытных участка – в 2012 г. построен участок асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги с применением бурого угля, в 2013 г. построено два участка – с бурым углем и природным цеолитом в качестве минеральных порошков.

Сразу после введения автомобильных дорог в эксплуатацию начались мониторинговые исследования. За основные показатели были приняты модуль упругости, плотность и коэффициент сцепления. Кроме того, производились замеры уклонов и ровности проезжей части, ко-лееобразование и осуществлялся визуальный контроль за трещинообразованием.

Измерение модуля упругости

Измерение модуля упругости дорожной одежды выполнено в соответствии с ОДМ 218.2.024-2012 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд» при помощи установки динамического нагружения ДИНА-3М. Результаты испытаний дорожной одежды представлены в таблице 1.

Модуль упругости дорожной одежды с традиционным асфальтобетонным покрытием на автомобильной дороге «Умнас» после двух лет эксплуатации увеличился на 84% по сравнению с исходным показателем. Такое резкое изменение вызвано старением вяжущего в асфальтобетоне. Под действием климатических факторов в битуме происходят необратимые процессы изменения группового состава: масла окисляются и частично переходят в смолы, которые, в свою очередь, частично переходят в асфальтены. Увеличение концентрации асфальтенов в асфальтовом вяжущем веществе неизбежно ведет к увеличению твердости вяжущего. Процессы старения асфальтобетонов с применением бурого угля в качестве минерального порошка замедлены – после одного года эксплуатации модуль упругости увеличился на 3%, после двух лет – на 8,9%, а после трех – на 41,1%.

Таблица 1 Модуль упругости дорожной одежды

Дата испытаний Номер состава	Модуль упругости E, МПа
	2012 г.	2013 г.	2014 г.	2015 г.
Автомобильная дорога «Умнас», 28 км
1	1976,35	2027,3	3635,7	3553,5
2	2469,1	2543,6	2687,8	3485,1
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
Дата испытаний Номер состава			E, МПа
			2014 г.	2015 г.
1			1125,27	1589,7
2			1537,1	1510,2
3			1770,27	1535,8

Примечание. 1 – традиционный асфальтобетон; 2 - асфальтобетон с применением минерального порошка из бурого угля; 3 - асфальтобетон с применением минерального порошка из цеолита

Анализ изменения модуля упругости дорожной одежды на автомобильной дороге «Вилюй» показал увеличение модуля упругости асфальтобетонного покрытия традиционного состава до 41,3%, снижение данного показателя на 13,2% в покрытии с применением природного цеолита и до 1,8 % - с применением бурого угля.

Применение в качестве минеральных порошков для асфальтобетонов местного сырья позволяет замедлить процессы старения, протекающие в вяжущем. Как было сказано ранее, в процессе приготовления асфальтобетонной смеси происходит избирательная диффузия части масел, содержащихся в битуме, вглубь частиц минерального порошка из цеолитов и бурого угля. В дальнейшем при эксплуатации асфальтобетонных покрытий происходит «выпотевание» масел на поверхность частиц минерального порошка, благодаря чему вяжущее способно дольше сохранять свои упруго-вязкие свойства.

Замедление процессов старения асфальтового вяжущего вещества в асфальтобетоне позволит повысить срок службы асфальтобетонного покрытия без необходимости его ремонта.

Измерение плотности асфальтобетона

Измерение плотности асфальтобетона производилось при помощи плотномера асфальтобетона ПА-МГ4, производства ООО «Специальное конструкторское бюро Стройприбор». Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Плотность асфальтобетона на экспериментальных участках

Дата испытаний Номер состава	Плотность асфальтобетона, кг/м3
	09.2012	07.2013	05.2014	09.2014	05.2015	09.2015
Автомобильная дорога «Умнас», 28 км
1	2242,3	2224,6	2181,1	1934,8	2183	2166,7
2	2023,0	2098,0	2191,2	2151,7	2127,6	2114,3
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
1	-	-	2116,1	2344,7	2104	2187,3
2	-	-	2213	2327,9	2229,4	2193
3	-	-	2283,1	2339,7	2212,4	2148,7

Примечание. Нумерация составов соответствует таблице 1

Измерения средней плотности асфальтового бетона на автомобильной дороге «Умнас» показывают, что после трех лет эксплуатации не наблюдается разуплотнения покрытий как на участке с традиционным асфальтобетоном, так и на участке с бурым углем в составе асфальтобетона. Средняя плотность покрытий из асфальтобетона изменяется незначительно и, вероятно, зависит от температуры покрытия во время замеров. Схожие данные по показателям средней плотности покрытий получены и на автомобильной дороге «Вилюй».

Измерение коэффициента сцепления

Безопасность движения автотранспорта по автомобильной дороге в значительной степени зависит от силы сцепления шин с покрытием проезжей части. Именно поэтому важно производить измерения коэффициента сцепления.

Значение коэффициента сцепления определялось при помощи портативного измерителя коэффициента сцепления ИКСп, производства ООО «Спецдортехника». Результаты измерения коэффициента сцепления представлены в таблице 3.

Коэффициент сцепления с асфальтобетонным покрытием

Таблица 3

Дата испытаний Номер состава	Коэффициент сцепления
	09.2012	07.2013	05.2014	09.2014	05.2015	09.2015
	Автомобильная дорога «Умнас», 28			км
1	0,3	0,2	0,35	0,31	0,28	0,31
2	0,3	0,3	0,38	0,3	0,27	0,34
Автомобильная дорога «Вилюй», 54 км
1	-	-	0,33	0,43	0,37	0,39
2	-	-	0,35	0,42	0,31	0,42
3	-	-	0,34	0,4	0,36	0,42

Примечание. Нумерация составов соответствует таблице 1

По полученным результатам можно сделать вывод о том, что применение в качестве минерального порошка бурых углей и цеолита не оказывает отрицательного влияния на показатели шероховатости покрытия и, соответственно, не ухудшает показатели коэффициента сцепления шин с поверхностью проезжей части.

Оценка состояния экспериментальных участков

Оценка состояния покрытий из асфальтобетонов на опытно-экспериментальных участках производилась в 2015 г. в соответствии с ОДН 218.0.006-2002 [6]. Ровность покрытия оценивалась при помощи рейки РДУ КОНДОР-3 в соответствии с ГОСТ 30412-96 [7] и СП 78.13330.2012 [8]. Глубина колеи измерялась в соответствии с ОДМ «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах».

В соответствии с обязательным приложением А СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги» для покрытий из асфальтобетона, обработанных вяжущим, не более 5% результатов определений могут иметь значения просветов под рейкой длиной от 3 до 6 мм, остальные – до 3 мм. На основании проведенной оценки участков покрытий на автомобильной дороге «Ум-нас» можно сделать вывод о том, что участок с традиционным асфальтобетоном удовлетворяет требованиям СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги» по показателям ровности, так как ни один из 25 измеренных просветов под рейкой не был больше 3 мм. Участок покрытия из асфальтобетона с применением бурого угля не соответствует СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги», так как имеются просветы под рейкой больше 6 мм (2 просвета, или 8%), количество просветов до 6 мм – 7 (28%), количество просветов до 3 мм – 16 (64%).

Согласно п. 6 ч. 1 ОДМ «Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах» при расчетной скорости движения 100 км/ч предельно допустимая глубина колеи должна быть не более 20 мм, допустимая – 12 мм. Глубина колеи на участке с традиционным асфальтобетоном составила 2,4 мм, а на участке с применением бурого угля в качестве минерального порошка – 4,04 мм. По результатам измерений установлено, что экспериментальный участок асфальтобетонного покрытия удовлетворяет требованиям нормативных актов.

Визуальный осмотр экспериментального участка на автомобильной дороге «Умнас» в 2012 г. выявил наличие двух поперечных трещин с шириной раскрытия до 5,8 мм. Однако стоит заметить, что данные трещины проходят через всю ширину проезжей части, т.е. через участки с традиционным асфальтобетоном в том числе. Это может свидетельствовать о плохой подготовке нижних конструктивных слоев дороги. Последующее развитие сетей трещин не выявлено.

Обследование участка автомобильной дороги «Вилюй» дало следующие результаты. Участки как с традиционным асфальтобетоном, так и с асфальтобетоном с применением бурого угля и цеолита удовлетворяют требованиям СП 78.13330.2012 «Автомобильные дороги»

по показателям ровности, так как ни один из измеренных просветов под рейкой не был больше 3 мм.

Глубина колеи на участке с традиционным асфальтобетоном составила 2,5 мм, на участке с применением бурого угля в качестве минерального порошка – 2,7 мм, а на участке с применением цеолита в качестве минерального порошка – 3,5 мм. По результатам измерений показано, что состояние экспериментальных участков с использованием асфальтобетонов на минеральных порошках из местного сырья удовлетворяет требованиям нормативных актов.

В результате визуального осмотра выявлено наличие трещин на каждом из участков асфальтобетонного покрытия: на участке с традиционным асфальтобетоном – 20 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 3 мм, на участке асфальтобетона с применением бурого угля – 16 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 4 мм, на участке асфальтобетона с применением цеолита – 18 поперечных трещин с максимальной шириной раскрытия 2 мм. Стоит отметить, что количество трещин является практически одинаковым для участков в обоих направлениях движения.

Заключение

Таким образом, данные, полученные в ходе мониторинговых исследований покрытий автомобильных дорог с применением минеральных порошков из местного минерального сырья, позволяют сделать заключение о возможности применения таких порошков наряду с традиционно применяемыми. Установлено, что рост модуля упругости на опытных участках асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации происходит медленнее, чем на контрольных участках, что свидетельствует о замедлении процессов старения вяжущего, происходящих в асфальтобетоне с применением минеральных порошков из местного сырья. Разуплотнений асфальтобетона не наблюдается. Коэффициент сцепления автомобильной шины с покрытием после трех лет эксплуатации незначительно увеличивается. Показатели ровности и колейности покрытий автомобильных дорог соответствуют требованиям нормативных актов.