Пористо-мастичные асфальтобетонные смеси и опыт их применения

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 1418 DOI: 10.22227/1997-0935.2017.11.1284-1288

пористо-мастичные асфальтобетонные смеси и опыт их применения

A.A. Худоконенко, С.А. Чернов

Архитектурно-строительная академия Донского государственного технического университета (АСА ДГТУ), 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1

Предмет исследования: быстрый рост интенсивности движения и грузонапряженности транспорта на автомобильных дорогах приводит к преждевременным разрушениям дорожных покрытий. При этом реальные сроки службы асфальтобетонных покрытий редко превышают 4-5 лет, а в большинстве случаев составляют всего 2-3 года. Наиболее интенсивно дефекты и разрушения появляются на асфальтобетонных покрытиях ранней весной. В настоящее время межремонтные сроки службы покрытий автомобильных дорог существенно ниже нормативных требований. Одна из основных причин — это использование устаревших технологий, опирающихся на традиционные материалы, несоответствующие по своим свойствам напряжениям и деформациям, возникающим в покрытии. Это особенно проявляется в климатических условиях юга Европейской части России, где верхние слои дорожного полотна работают в широком диапазоне температур. Ужесточение требований к исходным дорожно-строительным материалам и своевременный ремонт покрытий позволяет увеличить срок службы автомобильных дорог. Цели исследования: разработка нового вида асфальтобетона, такого как пористо-мастичный. Материалы и методы: теоретическое изучение и анализ.

Результаты: рассмотрен отечественный и зарубежный опыт применения данного асфальтобетона для устройства верхнего слоя покрытия. Представлена технология приготовления и укладки пористо-мастичной асфальтобетонной смеси, а также показаны ее преимущества и недостатки.

Выводы: повышение долговечности автомобильных дорог — задача важная и актуальная, и решить ее можно, в частности, за счет широкого применения новых технологий и нетрадиционных строительных материалов, позволяющих повысить качество асфальтобетонного покрытия и продлить его межремонтные сроки.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: асфальтобетон, пористо-мастичная асфальтобетонная смесь, литая асфальтобетонная смесь, слой износа, зерновой состав, шероховатость, верхний слой покрытия, шумопонижение, износостойкость, самоуплотнение

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Худоконенко А.А., Чернов С.А. Пористо-мастичные асфальтобетонные смеси и опыт их применения // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 11 (110). С. 1284-1288.

POROUS-MASTIC ASPHALT-CONCRETE MIXTURES AND THEIR UTILIzATION HISTORY

A.A. Khudokonenko, S.A. chernov

Architectural and Construction Academy of Don State Technical University (ASA DSTU), 1 Gagarina square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation

Subject: a rapid increase in the traffic intensity and freight traffic on motor roads leads to premature destruction of road surfaces. At the same time, the actual service life of asphalt-concrete pavements rarely exceeds 4-5 years and in most cases is only 2-3 years. Most intensively defects and fractures appear on asphalt-concrete pavements in the early spring. ^ Nowadays the overhaul intervals for the road surface coverings are significantly lower than those given by the regulatory

requirements. One of the main reasons for this phenomenon is the use of obsolete technologies based on traditional materials whose properties are inadequate to resist stresses and deformations arising in the coating. This is especially evident in the climatic conditions of the south of the European part of Russia, where the upper layers of the roadway experience a much <N wider range of temperatures. tighter requirements for the initial road-building materials and timely repair of the coatings allow

us to increase the service life of motor roads.

Research objectives: the aim of the study is to develop a new type of asphalt-concrete, such as porous-mastic one. Materials and methods: the work was carried out based on observations and published sources, a method of theoretical study and analysis.

^ Results: the domestic and foreign experience of using the given asphalt concrete for the top layer of the coating was

considered. the technology of preparation and laying of a porous-mastic asphalt-concrete mixture is presented and its p advantages and disadvantages are shown.

Conclusions: increasing the longevity of highways is an important and urgent task and it can be solved, in particular, due to the wide use of new technologies and non-traditional building materials that allow us to improve the quality of asphalt-j concrete pavement and prolong its overhaul intervals.

H

KEY WORDS: asphalt concrete, porous-mastic asphalt-concrete mixture, cast asphalt-concrete mixture, wear layer, grain

О

to

Ф

щ composition, roughness, upper coating layer, noise reduction, wear resistance, self-sealing

1284 © А.А. Худоконенко, С.А. Чернов

FOR CITATION: Khudokonenko A.A., Chernov S.A. Poristo-mastichnye asfal'tobetonnye smesi i opyt ikh primeneniya [Porous-mastic asphalt-concrete mixtures and their utilization history]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2017, vol. 12, issue 11 (110), pp. 1284-1288.

ВВЕДЕНИЕ

Рост интенсивности движения и грузонапряженности транспортных средств на автомобильных дорогах приводит к преждевременным разрушениям дорожных покрытий. Разработка новых составов смесей для устройства покрытий и слоев износа является немаловажной задачей как во всем мире, так и на территории СНГ.

Одним из новых видов асфальтобетона является пористо-мастичный (ПМА) [1], разработанный в результате научно-обоснованного улучшения и оптимизации литого асфальтобетона с сохранением его положительных качеств (прочность, водонепроницаемость, самоуплотнение) и с повышением сцепных качеств, снижением уровня шума, стабильностью под нагрузкой.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ПМА смеси разработаны в Германии при проведении исследований, направленных на шумопонижение покрытий из литого асфальтобетона, широко применяемого при устройстве покрытий на дорогах и мостах. В ходе экспериментальных работ по варьированию зерновым составом и содержанием мастичной части был получен материал, соответствующий требованиям к литым асфальтобетонным смесям, не требующий уплотнения и обладающий хорошими сцепными качествами [2].

Так как ПМА были разработаны в Германии в начале этого века [3], то вся имеющаяся информация по способам получения и по требованиям, предъявляемым к ПМА, только на немецком языке.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПМА имеет большое количество щебня (65.. .75 % по массе), образующего стабильный каркас. Мастичное вяжущее (битум — около 7 % и минеральный порошок — 15.20 %) и мелкий песок (10.20 %) покрывают зерна и опускаются в процессе применения в нижнюю часть слоя, образуя структуру ПМА [3].

Поверхность покрытия на 1,5 см вглубь имеет пористость около 15 %, а следующие 1,5...2 см — приближенную к единице. Среднее значение пористости составляет 3.7 % по массе.

После уплотнения пористо-мастичной смеси происходит образование такой структуры, в которой пустоты распределены в верхней части слоя, а нижележащее пространство имеет максимальную

плотность, что позволяет этой конструкции быть устойчивой к различного рода деформациям и значительно снижать уровень шума.

Основными преимуществами ПМА являются:

• стабильность под нагрузкой, характерная для щебеночно-мастичного асфальтобетона;

• повышенные сцепные качества;

• значительное снижение уровня шума покрытия;

• уменьшение аквапланирования (за счет своей пористой структуры поверхность ПМА обладает хорошими дренажными свойствами) [4].

Первые экспериментальные работы по получению ПМА были произведены в 2008 г. в Германии [5]. В то же время были осуществлены исследования по определению его прочностных характеристик. Опытное испытание на устойчивость к колееобразованию показало, что средняя глубина колеи составила 0,97 мм после 20 тыс. проходов и 1,23 мм — после 60 тыс. проходов испытательного колеса. При этом необходимо обратить внимание на то, что основная часть деформации происходит в начале испытания, а увеличение количества проходов от 6000 до 60 тыс. практически не изменяет глубины колеи [6].

Смеси ПМА могут быть использованы:

• в качестве верхнего слоя покрытия дорог и мостов;

• для устройства тонких слоев износа;

• в качестве шумопонижающих слоев [4].

Покрытия из ПМА смесей могут широко использоваться на автомагистралях с целью повышения безопасности дорожного движения и уменьшения уровня шума. По сравнению с плотными смесями в ПМА покрытиях вода не задерживается на поверхности и вытекает через непрерывную пористую структуру в пониженные участки дороги. Благодаря этому материал обеспечивает хорошую видимость в дождливую погоду и тем самым предотвращает сокращение объемов транспортного потока, которое обычно происходит в дождливую погоду.

Допускается различная толщина укладки ПМА в зависимости от области применения в дорожной конструкции [7].

Рекомендуемые значения толщины слоя следующие:

фракция щебня 5

Толщина слоя, см от 1,5 до 4,0 см от 2,0 до 5,0 см от 3,0 до 6,0 см от 5,0 до 10,0 см

Л

ф

0 т

1

S

*

о

У

Т

0 2

1

К)

В

г

3 У

о *

Одним из преимуществ ПМА является шумопонижение [6], которое в данном виде асфальтобетона обусловливается двумя аспектами:

• поверхность скомбинирована средними размерами щебня — нет зерен, выступающих выше поверхности слоя;

• поровый объем, важный для снижения шума, расположен внутри верхнего пространства.

Покрытия из ПМА по стоимости конкурентоспособны не менее шумозащитных щитов, так как снижение уровня шума, достигаемое при применении ПМА, очень важно для дорог городов и населенных пунктов.

Приготовление асфальтобетонной смеси должно осуществляться на асфальтобетонном заводе с соблюдением всех необходимых технологических операций, необходимых для получения пористо-мастичной смеси. Перевозка смеси производится автосамосвалами, а укладка — стандартными асфальтоукладчиками с отключенной виброплитой [7] и использованием трамбующего бруса с минимальной мощностью. Процесс укладки смеси должен быть непрерывным, а количество смеси в шнеке должно быть таким, чтобы он мог распределять смесь равномерно.

В отличие от традиционных горячих смесей при укладке ПМА катки используются не для уплотнения, а только для устранения возможных небольших дефектов укладки и ранжирования частиц по поверхности. Достаточно применения гладко-вальцовых катков массой 2.3 т1.

При устройстве слоев из ПМА допускается укладка на новый или старый нижний слой и на сфрезерованное основание. Устройство выравнивающего слоя [6] не требуется, но перед укладкой необходима подгрунтовка нижележащего слоя кати-онной битумной эмульсией.

При устройстве тонких слоев износа или шу-О мопонижающих слоев нижележащий слой не должен иметь просадок и выбоин глубиной более w 10 мм, колеи глубиной более 15 мм, трещин, раскрытых более чем на 10 мм, деформаций в виде сет-5i ки трещин2.

£ На территории СНГ первое опытное приме-

С нение было в 2014 г. в городе Алматы (Казахстан): j

^ при научно-техническом сопровождении одного из разработчиков ПМА Б. Яннике и специалистов ТОО «ЮнидАс Групп» была осуществлена укладка 2 смеси ПМА-10 (ПМА-8) в качестве верхнего слоя |2 покрытия.

О 1 TP Griff-StB (SKM) 07 Technische Prüfvorschrift für die ^ Griffigkeitsmessungen im Straßenbau, Teil Seitenkraftmess-verfahren. Bonn, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, 2008.

2 2 ZTV Asphalt-StB 07/13 Forschungsgesellschaft für Strain ßen- und Verkehrswesen e.V.: Zusätzliche Technische Vertrags-ф bedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächen-IQ befestigungen aus Asphalt.

В процессе подбора состава изготавливали образцы путем одностороннего уплотнения двадцатью ударами на приборе Маршалла [5] при температуре 190 °С с последующим определением остаточной пористости, максимальной глубины вдавливания штампа при температуре 40 °С в течение 30 мин и увеличения глубины пенетрации в течение следующих 30 мин.

В состав смеси была введена комплексная добавка TopceladdA 60 [8], разработанная и изготовленная компанией CFFGmbH (Германия) специально для ПМА. Добавка включает стабилизирующую добавку Topcel и компонент, понижающий вязкость во время приготовления и укладки смеси, способствующий обволакиванию каменного материала и опусканию его в нижнюю часть слоя, т. е. образованию структуры ПМА [9].

Опытную партию пористо-мастичной смеси приготовили ТОО «Асфальтобетон 1»: на нагретые до 230 °C и отдозированные каменные материалы через дозаторы подавали холодный минеральный порошок и добавку TopceladdA60. Битум, нагретый до температуры 160.165 °C, подавался через 20 с после подачи добавки. Общее время перемешивания составило 70 с. Температура смеси на выходе из смесителя составила 198 °C.

Строительство опытного участка осуществляло ТОО «Конфорс». Смесь доставлялась на объект автосамосвалами, укладка выполнялась асфальтоукладчиком Vogele Super 1800-3 на фрезерованную поверхность и на существующий слой толщиной 5.8 см. Укладчик работал с отключенной виброплитой и использованием трамбующего бруса на 30 %. Температура смеси при укладке 175 °C. За укладчиком работал один каток массой 3 т, осуществлявший ранжирование поверхности. Движение было открыто после снижения температуры покрытия до 60 °C.

При проезде по участку с ПМА покрытием понижение шума по сравнению с шумом щебеночно-мастичного покрытия было очевидным. Через трое суток были отобраны керны, испытания которых показали, что показатели физико-механических свойств асфальтобетона соответствуют требованиям. За опытным участком покрытия ведется визуальное наблюдение: при весеннем осмотре не отмечено наличие каких-либо деформаций.

Сопоставительный анализ показывает, что стоимость 1 т смеси ПМА на заводе ТОО «Асфальтобетон 1» на 13,3 % выше стоимости щебеноч-но-мастичного покрытия. При этом необходимо учесть снижение стоимости устройства за счет отсутствия необходимости уплотнения и укладки выравнивающего слоя.

ВЫВОДЫ

ПМА — это принципиально новый вид асфальтобетона, не имеющий на данный момент аналогов.

Необходимо продолжать исследования по получению ПМА, а также по повышению его качества.

Как показали исследования, покрытия и слои износа из ПМА обладают повышенной шероховатостью, а также высоким шумопонижением.

Использование ПМА способствует получению покрытия, обладающего такими положительны-

ми свойствами, как долговечность и устойчивость к воздействию транспортных средств.

В настоящее время проводятся экспериментальные исследования по разработке составов смесей с применением комплексной добавки, придающей асфальтобетону структуру ПМА с учетом всех необходимых требований, предъявляемых к данному материалу.

литература

1. Gidde C., Schäfer V. Experience with porous asphalt in Lower Saxony // Asphalt Magazine. August 2013.

2. Beckenbauer T. Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusc // Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen

3. Mohan S. Winter damage of porous asphalt : Master's Scientific Thesis. December 2010, Delft.

4. Woldekidan M.F. Response Modelling of Bitumen, Bituminous Mastic and Mortar. Delft : University of Technology, Delft, 2011.

5. Glaeser K. Road surface characteristics and type road noise. Federal Highway Research Institute BAST, 2007.

6. Innovative noise optimised porous mastix asphalt (PMA) for heavy duty highways // 5th Euras-phalt & Eurobitume Congress, 13-15th June 2012, Istanbul.

7. Arbeitspapier für die Ausführung von Asphaltschichten aus Gussasphalt mit offenporiger Oberfläche (PMA). 2013. Germany.

8. Jannicke B. Eine Erfolgsgeschichte: PMA-Gus-sasphalt mit offenporiger Oberfläche und ohne Abstreusplitt // Straße und Autobahn. 2010. No. 8. S. 583-584.

9. Huurman M, Mo. L.T., Woldekidan M.F. Unraveling porous asphalt concrete towards a mechanistic material design tool. Delft, Delft University of Technology, 2010.

Поступила в редакцию 15 мая 2017 г.

Принята в доработанном виде 26 сентября 2017 г.

Одобрена для публикации 23 октября 2017 г.

Об авторах: Худоконенко Антон Александрович — магистр кафедры автомобильных дорог, Архитектурно-строительная академия Донского государственного технического университета (аса ДГту), 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1; hudokonenko94@mail.ru; ORCID 0000-0002-7401-1437, ResearcherID Q-2012-2017;

Чернов Сергей Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобильных дорог, Архитектурно-строительная академия Донского государственного технического университета (АСА ДГту), 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1; sergey_a_chemov@mail.ru; ОЯСГО 0000-0002-99481451, ResearcherID S-1036-2017.

Л

Ф

0 т

1

S

*

references

1. Gidde C., Schäfer V. Experience with Porous Asphalt in Lower Saxony. Asphalt Magazine. August 2013.

2. Beckenbauer T. Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusc [Influence of the roadway texture on the tire-road surface noise]. Federal Ministry of Transport, Building and Housing

3. Mohan S. Winter damage ofporous asphalt: Master's Scientific Thesis. December 2010, Delft.

4. Woldekidan M.F. Response Modelling of Bitumen, Bituminous Mastic and Mortar. Delft, University of Technology, Delft, 2011.

5. Glaeser K. Road surface characteristics and type road noise. Federal Highway Research Institute BAST, 2007.

6. Innovative noise optimised porous mastix asphalt (PMA) for heavy duty highways. 5th Eurasphalt & Eurobitume Congress, 13-15th June 2012, Istanbul.

7. Arbeitspapier für die Ausführung von Asphaltschichten aus Gussasphalt mit offenporiger Oberfläche (PMA) [Working paper for the execution of as-

O У

Т

о 2

К)

В

г

3 У

о *

phalt layers of mastic asphalt with open-pored surface

8. Jannicke B. Eine Erfolgsgeschichte: PMA-Gussasphalt mit offenporiger Oberfläche und ohne Abstreusplitt [A success story: PMA poured asphalt with an open-pored surface and no spalling]. Straße und Au-

Received May 15, 2017.

Adopted in final form September 26, 2017.

Approved for publication on October 23, 2017.

tobahn [Road and Motorway]. 2010, no. 8, pp. 583-584.

9. Huurman M, Mo. L.T., Woldekidan.M.F. Unraveling porous asphalt concrete towards a mechanistic material design tool. Delft, Delft University of Technology, 2010.

About the authors: Khudokonenko Anton Aleksandrovich — Master, Architectural and Construction Academy of Don State Technical University (ASA DSTU), 1 Gagarina square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation; hudokonenko94@mail.ru; ORCID 0000-0002-7401-1437, ResearcherID Q-2012-2017;

chernov Sergey Anatol'evich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Architectural and construction Academy of Don State Technical University (ASA DSTU), 1 Gagarina square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation; sergey_a_chernov@mail.ru; ORCID 0000-0002-9948-1451, ResearcherID S-1036-2017.

О >

С

IQ

<N

s о

H >

о

X

s

I h О Ф 10