Совершенствование технологии уплотнения асфальтобетонных покрытий с целью повышения прочности и долговечности

УДК 625.865.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ

М.С. Стороженко, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрено совершенствование технологии уплотнения асфальтобетонных покрытий. Качества покрытий зависят от однородности структуры асфальтобетона, которая формируется под действием двух взаимосвязанных факторов - уплотняющей нагрузки и температуры.

Ключевые слова: асфальтобетонные покрытия, виброуплотнение, температура, однородность, структура, прочность, долговечность.

Введение

Опыт эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий показывает, что их эксплуатационное состояние в значительной мере определяется физико-механическими свойствами асфальтобетона и прежде всего его прочностью и долговечностью.

Прочность и долговечность асфальтобетона как типичного многокомпонентного материала зависит от однородности его структуры, процесс формирования которой очень сложен и требует учета разнообразных факторов: основные из них - температурные параметры смеси и режим уплотнения. Структура асфальтобетона, определяющая его прочность и долговечность, в значительной степени формируется в результате уплотнения. Сущность уплотнения заключается в увеличении количества связей в материале и упрочнении их. Чем больше насыщенность связями единицы объема материала и прочнее эти связи, тем прочнее слой из асфальтобетона.

На уплотняемость асфальтобетона значительное влияние оказывает температура смеси и равномерность ее распределения по объему [1]. Основными причинами температурной неоднородности смеси являются: неравномерное остывание по объему при транспортировании, распределении по основаниям или в подготовленные карты; интенсивный теплообмен с вальцами катка и окру-

жающим воздухом на верхней границе уплотняемого слоя, с основанием на нижней границе и с боковыми поверхностями ремонтируемых карт. Особо большая неоднородность возникает из-за разницы в температуре смеси у краев и в середине укладываемого слоя. Резкое охлаждение асфальтобетонной смеси происходит под влиянием «углового» эффекта, т.е. в пределах начала укладки полосы покрытия, в ремонтируемых картах, в углах кузова автомобиля-самосвала.

Выбор соответствия между температурой и уплотняющей нагрузкой

Эффективность уплотнения асфальтобетонной смеси определяется соответствием средней температуры смеси выбранным уплотняющим средством. Чем выше средняя температуры смеси, тем подвижнее асфальтобетонная смесь, и тем меньше должна быть уплотняющая нагрузка. С понижением средней температуры смеси величину уплотняющей нагрузки необходимо увеличить. В противном случае возможно недоуплотнение смеси, характеризующееся повышенной пористостью материала и его водонасыщением, избытком свободного битума и низкими физико-механическими свойствами. В процессе уплотнения к слою прикладывается нагрузка, которая является оптимальной для агрегатов и слоев, температура которых соответствует подобранной нагрузке. В то же время данная нагрузка будет выше оптимальной для агрегатов и слоев смеси, температура которых

выше средней, и недостаточной для уплотнения и слоев смеси, температура которых ниже средней. Несоответствие температуры и уплотняющей нагрузки приводит к формированию дефектов структуры за счет недо-уплотнения или «переуплотнения» агрегатов смеси, температуры которых отличаются от оптимальной для фиксированного значения уплотняющей нагрузки. При недоуплотнении смеси отдельные агрегаты отличаются повышенной пористостью, наличием неструктурированного битума и, следовательно, центрами разрушения при эксплуатации покрытий. При уплотнении агрегатов с температурой выше средней может привести к сближению зерен минерального остова до предельно недопустимых размеров, раздавливанию отдельных щебенок и последующей их раздвижки. Показатель дефектности структуры увеличивается с ростом температурной неоднородности смеси на 12 - 18 %. Температурная неоднородность смеси оказывает существенное влияние на формирование структуры асфальтобетона и способствует снижению его прочности и долговечности [1].

Вибрационное уплотнение смесей

Асфальтобетонные смеси при укатке в ряде случаев недоуплотняются, а при содержании щебня в количестве около 60 % происходит его частичное дробление [2]. Следовательно, создание плотной структуры у зернистых асфальтобетонов требует усовершенствование метода уплотнения. Таким методом является виброуплотнение. Преимущество вибрационного метода уплотнения асфальтобетонных смесей по сравнению с укаткой может быть объяснено следующим образом. Асфальтобетонная смесь имеет значительную вязкость, затрудняющую самопроизвольное осаждение минеральных частиц. Для того чтобы уплотнить асфальтобетонную смесь, необходимо создать такие условия, при которых произойдет уменьшение вязкости среды и внутреннего трения. При вибрационном способе уплотнения асфальтобетонных смесей импульсы, сообщаемые частицам каменного материала, не только обеспечивают нарушение связи между частицами, но и способствуют изменению вязкости объемного и пленочного битума. Уменьшение вязкости битума и увеличение подвижности частиц каменного остова приводит к уменьшению вязкости смеси, что обеспечивает лучшее сближение минеральных зерен с образованием максимального количества контактов между частицами. Перемещение зерен при

вибрации происходит при колебательных движениях частиц за счет развивающихся в системе инерционных сил, величины которых прямо пропорциональны массам отдельных частиц. Ввиду того, что массы минеральных частиц в смеси не одинаковы, разность в силах инерции отдельных частиц достаточно велика, поэтому в связующих пленках наступает пластическое течение и происходит относительное смешение частиц материала. В работе [2] приводятся данные о том, что щебенистые смеси лучше уплотняются вибрированием, так как кроме увеличения объемного веса и снижения пористости, отмечается увеличение предела прочности при сжатии и растяжении при отрицательных температурах по сравнению со смесями, уплотненными прессованием. Для всех составов смесей, уплотненных вибрированием, при положительных температурах отмечается снижение относительного удлинения, а при отрицательных - увеличение. В процессе виброуплотнения происходит изменение структуры асфальтобетона за счет более плотной упаковки и ориентации крупных минеральных зерен. Изменение структуры асфальтобетона, уплотненного вибрированием, подтверждено также различием в скоростях происхождения ультразвуковых импульсов, которые у этих образцов в 1,15 -1,20 раза выше. Кроме того, в работе отмечается, что водонасыщенность асфальтобетона при одинаковом объемном весе, уплотненного виброуплотнением, ниже, чем уплотненного укаткой из-за уменьшения количества пор, доступных к насыщению водой.

Критерии уплотнения

Для обеспечения прочности и долговечности асфальтобетонных покрытий нормами рекомендуются требования к их уплотнению на месте производства работ и испытанию образцов в лабораторных условиях. Сравнение зарубежных и украинских норм уплотнения асфальтобетонных покрытий и испытания образцов свидетельствует о том, что в зарубежной практике предъявляются более высокие требования к уплотнению асфальтобетонных покрытий и испытанию образцов. По [3] коэффициент уплотнения конструктивных слоев дорожной одежды должен быть не ниже: 0,98 - для плотного асфальтобетона из гарячих и теплых смесей типов А и Б; 0,97 -для плотного асфальтобетона из гарячих и теплых смесей типов В, Г и Д, пористого и высокопористого асфальтобетона. Для получения коэффициента уплотнения асфальтобе-

тона равным 1,0 в лабораторных условиях формуют образцы [4]. Формирование образцов в лабораторных условиях из смесей с содержанием щебня большим или равным 35% производится на прессе при давлении 30 МПа, а при меньшем - при 40 МПа в течение 3 мин. По [5] коэффициент уплотнения асфальтобетонных покрытий должен быть не ниже 0,99 - для асфальтобетона из плотных смесей типа А и Б; 0,98 - для асфальтобетона из плотных смесей типов В, Г и Д, а также для пористых и высокопористых асфальтобетонов. Для получения коэффициента уплотнения асфальтобетона равного 1,0 в лаборатории формуют образцы [6]. Уплотнение образцов из смесей, содержащих до 50 % щебня по массе, производят прессованием под давлением (40,0 ± 0,5) МПа. Уплотнение образцов из гарячих смесей, содержащих более 50 % щебня по массе, производят вибрированием с последующим доуплотнением прессованием. Смесь в форме вибрируют в течение 3 мин при вертикальной нагрузке на смесь 30 КПа, которая передается на смесь грузом, свободно навешенным на верхний вкладыш формы. По окончании вибрации образцы до-уплотняют прессованием под давлением 20 МПа в течение 3 мин.

Сравнение требований к уплотнению асфальтобетонных покрытий и формованию лабораторных образцов показывает, что требования, приведенные в работах [5] и [6], более высокие, а следовательно, выше прочность и долговечность асфальтобетонных покрытий. В настоящее время наиболее широко для формования образцов в большинстве стран мира применяется метод трамбования по Б. Маршаллу [7], который предъявляет более высокие требования к формованию образцов. В то же время наиболее современным считается метод вращательного уплотнения асфальтобетонного образца на гираторе. Гирационный уплотнитель лучше и ближе всего моделирует физику и механику процесса деформирования и уплотнения асфальтобетона статическими и вибрационными вальцами катков покрытия на дороге.

Заключение

Слабое или даже с минимальной нормой уплотнение, как правило, сводит на нет все технологические приемы, направленные на повышение качества и свойства асфальтобетона. Низкокачественное уплотнение покрытия ведет к сокращению срока его службы и

к росту затрат на его ремонты. По многочисленным российским и другим исследованиям установлено, что увеличение коэффициента уплотнения щебеночного асфальтобетона сверх минимальной нормы на 0,01 влечет за собой или устойчиво обеспечивает [5] рост прочности на сжатие при +50 °С и +20 °С в среднем соответственно на 9 и 13 %; рост прочности на растяжение при изгибе на 8,5 %; повышение предельной деформации растяжения при изгибе на 21 - 22 %; снижение оптимального содержания битума до

0.5.% из реального его расхода; рост сдвиговой и усталостной прочности примерно в 1,3 - 1,5 раза.

Литература

1. Стороженко М.С., Кияшко И.В., Гу-

стелев А.А. Формирование однородности и качества асфальтобетона в зависимости от параметров и режимов технологического процесса // Дороги i мости: Зб. наукових статей - К. - 2006. - Вип. 5. -

С.305 - 311.

2. Кононов В.Н. Исследование влияния виб-

роуплотнения на свойства дорожного асфальтобетона. - Труды МАДИ. - М.: Автотрансиздат. - 1958. - Вып. 22. -С.38 - 53.

3. ДБН В.2.3-4 -2000. Автомобшьш дороги.

Держбуд Украши. - К., 2000. - 115 с.

4. ДСТУ Б.В.2.7-119-2003. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон дорожный и аэродромный. Госстрой Украины. - К., 2003. - 34 с.

5. СНиП 3.06.03-85. Автомобильные дороги.

- М.: Изд. Госстроя СССР, 1986. - 112 с.

6. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе ор-

ганических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. - М.: Ро-савтодор, 1998. - 30 с.

7. Костельов М.П. Зачем уплотнять ас-

фальтобетон выше минимальной нормы? Каталог-справочник «Дорожная техника», 2005.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 5 декабря 2007 г.