Учет свойств органических вяжущих при проектировании асфальтобетона дорожных одежд

В последние годы произошли кардинальные изменения в сфере дорожнотранспортной инфраструктуры: значительно увеличился транспортный поток, что оказало непосредственное воздействие на усиление осевых и скоростных нагрузок на дорожное полотно. В таких условиях дорожное покрытие перестало отвечать требованиям современной действительности и стало разрушаться заметно быстрее. Так, по результатам диагностики транспортно-эксплуатационного состояния, доля федеральных и региональных трасс, которые не соответствуют нормативным требованиям, составляет 60,1% и 70% соответственно, при этом 56% федеральных автомобильных дорог имеют неудовлетворительную прочность, а 37% характеризуются неудовлетворительным состояние ровности покрытия. Безусловно, это требует принятия оперативных мер, что, в свою очередь, повышает актуальность настоящего исследования.

Дорожные одежды, в том числе из асфальтобетона, являются одним из основных элементов дороги. При неправильной эксплуатации и повышенных физических нагрузках они быстрее изнашиваются, что непосредственно влияет на срок полезного использования и, как следствие, увеличение затрат. При этом среди главных причин плохого состояния верхнего слоя дороги, можно назвать следующие [1]:

• -    климатические и грунтовые условия;

• -    несоответствие выпускаемых битумов нормативным требованиям;

• -    недостаточное уплотнение;

• -    отсутствие качественных местных материалов и т.д.

Важное влияние на качественные характеристики дорожной одежды оказывают вяжущие, используемые в составе асфальтобетонной смеси, а именно технические свойства битума. Необходимо отметить, что в современных условиях специалисты стремятся улучшить свойства битума посредством его модифицирования разнообразными добавками. Так, в дорожном строительстве распространены следующие добавки [2]:

• -    эластомеры - обладают низкой исходной жесткостью, хорошими низкотемпературными свойствами без эффектов растрескивания, способностью устранять микротрещины; в то же время показывают высокую степень износа дорожного покрытия;

• -    термопласты - обладают более высокой жесткостью по сравнению с исходной, но худшими низкотемпературными свойствами;

• -    масла - понижают вязкость, увеличивают сопротивление износу;

• -    резиновые добавки - позволяют улучшать эксплуатационные характеристики, увеличивают срок службы асфальтобетонного покрытия, сокращают стоимость эксплуатации автомобильной дороги.

Далее целесообразно рассмотреть несколько видов модифицирующих добавок и определить, каким образом они влияют на свойства битума и на асфальтобетонное покрытие.

Таблица 1. Сравнительная характеристика модифицирующих добавок БДН 60/90 и БДН 90/130

Наименование показателей	Название добавки
	БНД 60/90		БНД 90/130
	Без добавки	С добавкой Унирем	Без добавки	С добавкой Битрэк
Глубина проникания иглы, 0,1мм: при 25°С, не менее при 0 °С, не менее	61-90 20	60-90 20	91-130 28	91-130 25
Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже	47	52	43	50
Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С	55 3,5	12 5	65 4	14 7
Температура хрупкости, °С, не выше	-15	-30	-17	-24
Изменение температуры размягчения после прогрева °С, не более	5	5	5	5

В качестве вариантов добавок были выбраны битуморезиновая добавка Битрэк и добавка Унирем-001 на основе активного резинового порошка. Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что исследуемые добавки при введении в битум увеличивают его вязкость, снижают растяжимость при 25 °С, понижают температуру хрупкости, влияют на температуру размягчения. При таких показателях битум переходит в пластичное состояние при более высокой температуре, то есть оказывает структурирующие действия.

Напряжения в дорожных одежд нежесткого типа будут меньше, если использовать в конструкции материалы с меньшим модулем упругости. То есть, чем меньше напряжения в асфальтобетоне, тем выше срок службы дорожных одежд.

На рисунке 1 отражено, что модуль упругости модифифцированого асфальтобетона ниже, чем асфальтобетона на нормативных марках органического вяжущего. Это связано с тем, что применения модифицирующих вяжущих в составе асфальтобетона способствует повышению деформативности асфальтобетона.

Рис. 1. Модули упругости различных видов асфальтобетона

Далее целесообразно рассчитать несколько вариантов конструкций дорожных одежд с разными слоями верхнего покрытия по критерию допустимого упругого прогиба и сопротивлению при изгибе. По результатам расчета, проведенного в программе IndorPavement, удалось построить диаграмму зависимости общего модуля упругости конструкции от марки используемого вяжущего вещества (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость общего модуля упругости конструкции от марки используемого вяжущего вещества

Как свидетельствуют данные рисунка 2 общий модуль упругости конструкций дорожных одежд с применением модифицированных добавок Битрэк и Унирем ниже, чем в конструкциях с применением стандартных марок битума БНД 60/90 и БНД 90/130. Это объясняется тем, что модифицирующий асфальтобетон ослабляет прочность дорожной одежды, поскольку добавки меняют вязкость битума и они пере- ходят в более пластическое состояние. Помимо этого, применение добавки Бит-рэк не оказывает существенного влияние на изменение прочностных показателей на изгиб по сравнению с исходной марки битума БНД 90/130. Это продемонстрировано на рисунке 3. а при добавлении в битум БНД 60/90 добавки Унирем, прочность на изгиб заметно снижается.

Вяжущий материал

Рис. 3. Влияние добавок на изменение прочностных показателей на изгиб

Таким образом, можно сделать вывод, что модифицированные добавки снижают прочностные показатели дорожных одежд, в том числе общий модуль упругости и прочность на изгиб. Однако их величины обеспечивают требуемую прочность в рамках установленного уровня надежности степени капитальности.

Необходимо отметить, что основным направлением увеличения срока службы дорожных одежд из асфальтобетонных смесей является использование исходных высококачественных материалов. При этом для улучшения свойств могут использовать различные модификации би- тумов и асфальтобетона различными добавками, применять битумы с оптимальным групповым составом и т.д.

В рамках настоящего исследования целесообразно рассмотреть ГП «Белдор-НИИ», который активно применяется в дорожном хозяйстве Свердловской области. Данный метод проектирования состава асфальтобетона с оптимизацией по показателю «расчетный срок службы» основан на определении оптимального расчетного срока службы асфальтобетона по критериям устойчивости к пластическим деформациям при нормальных условиях эксплуатации и содержания. В данном случае расчетный срок службы Тпласт определяют по следующей формуле:

^Т пласт ⁼ ( ^К усл ^{∗ Н} кр )/( ^Н1 ^{∗ И} расч ^{∗ Т} 50 ), (1)

где К _усл – коэффициент условий движения; для стесненных условий движения (мосты, путепроводы, тоннели) принимают 1,0, в остальных случаях – 1,3; Н _кр – критическая деформация (допустимая глубина колеи); для расчетов принимают 0,01 м; Н 1 – величина пластической деформации (глубина колеи), м, после одного цикла воздействия колесной нагрузки при температуре 50 ^оС; И _расч – интенсивность движения по полосе расчетных автомобилей авт./ч; определяют по результатам наблюдений за конкретным участком автомобильной дороги; Т50 – количество часов в году с температурой покрытия 50 ^оС и выше, ч/год; определяют по данным метеостанций в каждом конкретном регионе; при отсутствии данных принимают 190 ч/год.

Пластическую деформацию асфальтобетона после одного цикла нагружения Н1, м, определяют по формуле:

Н , ₌ , (2) ¹ N₂-Ni ^{v 7}

где ^1 – минимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 4000; ^2 – максимальное количество циклов нагружений, принимаемое при расчете, равное 10 000; ℎ 1 – деформация образца после минимального количества циклов нагружений, мм; ℎ2 – дефор- мация образца после максимального количества циклов нагружений, мм.

Поскольку на практике отсутствует возможность определить пластическую деформацию лабораторным путем, целесообразно воспользоваться «расчетом и прогнозированием остаточных деформаций в слоях асфальтобетона и других битумосодержащих слоях».

Пластическая или остаточная деформация – часть полной деформации, остающаяся в образце после приложения к нему нагрузки в точно установленный интервал времени. Расчетное значение остаточной деформации в битумосодержащих слоях вычисляют по формуле:

• ^ℎ kp = исх ∗ Kp ^∗ К _вып , (3)

где E ^исх – исходная остаточная деформация, м; Kp – поправка на фактический коэффициент вязкого сопротивления Г] ф , назначаемая по таблице 3.3; К вып – коэффициент, учитывающий выпор асфальтобетона по краям колеи, в среднем можно принять 1,3.

Определение средней величины глубины колеи нужно рассчитать только для асфальтобетонных слоев:

• ℎ о^рбщ t =ℎ kp ^∗ К П (4)

Была рассчитана остаточная деформация для нескольких вариантов горячего плотного асфальтобетона типа Б марки 1 с использованием различных вяжущих. Общие результаты расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2. Показатели срока службы асфальтобетона по критерию устойчивости к пла- стическим деформациям

№ п/п	Тип смеси	Коэффициент вязкого сопротивления, n ф , МПа×с	Пластическая   де формация, H 1 , м	Срок службы, Т сл , лет
1	БНД 60/90	100	0,000000265	1,52
2	БНД 90/130	60	0,000000468	0,88
3	БНД 90/130+Битрэк	300	0,000000088	4,57
4	БДУС 70/100	170	0,000000161	2,5
5	БНД 60/90+Унирем	280	0,000000095	4,24

Аналитические данные таблицы наглядно показывают, что использование модифицированных асфальтобетонов продлевает срок службы дорожных одежд. Модифицированный асфальтобетон Бит-рэк позволяет увеличить срок службы до 4,57 лет, а добавка Унирем продлевает срок до 4,24 лет. Так как, в расчете основополагающим показателем является фактический коэффициент вязкого сопротив- ления, можно сделать вывод о том, что чем выше вязкость у исходного материала, тем выше срок службы дорожного покрытия.

В целом, можно констатировать, что модифицированный асфальтобетон обладает определенными преимуществами, среди которых целесообразно выделить повышение адгезии, вязкости и растяжимости; устойчивость к высоким и низким температурам; стойкость к образованию колеи и трещинообразованию; увеличение срока службы; сокращение затраты на эксплуатацию и ремонт; снижение уровня шума; улучшение сцепления колес с покрытием.