Учебное пособие 800467

растяжения в асфальтобетонах составляет около 0,001, тогда как при более высоких температурах и при воздействии длительно действующих нагрузок она возрастает. Так, например, при температуре 20˚С величина предельной относительной деформации асфальтобетона даже в условиях динамического нагружения, соответствующего условиям проезда автотранспорта, составляет около 0,01. Значения предельной деформативности асфальтобетона в значительной степени определяют прочностные свойства слоёв асфальтобетонных покрытий.

4.3. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Прочность асфальтобетонов является одной из важнейших характеристик, определяющих эксплуатационные качества асфальтобетонных покрытий. Прочность асфальтобетонов определяет граничные условия разрушения покрытий, их трещиностойкость, долговечность. Прочностные характеристики асфальтобетонных покрытий изменяются в широких пределах в зависимости от температуры и вида напряжённого состояния. Наиболее распространённой является оценка прочности асфальтобетона при сжатии. Зависимость прочности асфальтобетона при сжатии от температуры приведена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Влияние температуры на прочность асфальтобетонов при сжатии: 1– асфальтобетон горячий на битуме БНД 40/60;

2 – асфальтобетон горячий на битуме БНД 90/130; 3 – асфальтобетон холодный

Однако стандартный режим определения прочности асфальтобетонов при сжатии (скорость деформирования принимается обычно 3 мм/мин) не является характерным для анализа условий разрушения асфальтобетонных покрытий в условиях эксплуатации. Так, для анализа процессов разрушения асфальтобетонных покрытий под действием движущихся автомобилей необходимо знать прочность асфальтобетона в условиях динамического изгиба, а для анализа воздействия колебаний температуры — прочность в условиях растяжения. Численные значения прочности асфальтобетона, определённые в различных режи-

111

ве испытаний образцов при сжатии и при изгибе, будут неоднозначными. В частности, в результате испытаний, основанных только на сжатии, могут быть признаны пригодными составы, имеющие низкую прочность при динамическом изгибе. Этим объясняется, что в ряде случаев в асфальтобетонных покрытиях уже через 1—2 года эксплуатации образуются трещины.

Более того, сам характер влияния количества битума в смеси на прочность при медленном сжатии и динамическом изгибе различен. Известно, что испытание на сжатие выявляет некоторый максимум (см. табл. 4.8), в то время как при динамическом изгибе идёт нарастание прочности по мере увеличении содержания битума до 10 % и более.

Таким образом, при строительстве асфальтобетонных покрытий необходимо использовать такие составы, которые имели бы наибольшую прочность при динамическом изгибе при температурах, принятых за расчётные по условию трещиностойкости, и в то же время обладали достаточной сдвигоустойчивостью при высоких температурах. Это означает, что нельзя чрезмерно увеличивать содержание битума в смеси, стремясь повысить Rизг250, т. к. излишне жирная смесь будет давать низкую прочность на сжатие при 50 ˚С и, следовательно, недостаточную сдвигоустойчивость. В то же время заниженное содержание битума в смеси приведёт к получению материала со слабой трещиноустойчивостью. Прочность при изгибе и положение максимума на кривой Rизг250 (Т) зависят от скорости деформирования, свойств и количества битума, состава минеральной части смеси. При увеличении скорости испытания и при использовании более вязких битумов максимум смещается в область более высоких температур.

Это ещё раз указывает на то, что скорость деформирования, принятая при испытаниях, должна быть увязана с реальными условиями работы асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации. При движении автомобиля по до-

роге со скоростью 60—90 км/ч прогиб покрытия происходит со скоростью 200—500 мм/мин, в зависимости от веса и скорости движения автомобиля и

степени капитальности конструкции дорожной одежды. Поэтому данные о прочности асфальтобетона на растяжения при прогибе, соответствующем скоростям деформирования 250 мм/мин, достаточно близко отражают реальные условия работы слоя асфальтобетона в процессе эксплуатации. Большое влияние на характер кривой Rизг250(Т) оказывает реологический тип битума. Так, испытания образцов асфальтобетона, имеющих одинаковый гранулометрический состав минеральной части, приготовленных на двух битумах с близкими значениями глубины проникания, но разных реологических типов, показали резкие различия в зависимостях прочности от температуры. С увеличением вязкости битума максимум смещается в область более высоких температур.

Таким образом, прочностные характеристики асфальтобетона и, следовательно, асфальтобетонных покрытий в значительной степени определяются прочностью битума.

Значительная часть разрушений асфальтобетонных покрытий связана

114

именно с потерей прочности в упругой или пластической стадии, причём разрывы или смещения в слое асфальтобетона происходят, как показывают наблюдения, в большинстве случаев по битуму. Разрывы по частицам минерального материала наблюдаются в основном при использовании малопрочного щебня. Вместе с тем, несмотря на важность контроля прочностных свойств битума, оказывающих прямое влияние на прочность асфальтобетонных покрытий, вопросы оценки прочностных (когезионных) свойств битумов исследованы недостаточно.

С целью выбора метода оценки прочностных свойств битумов, достаточно простого для широкого использования и в то же время достаточно эффективного для оценки трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, проведены экспериментальные исследования различными методами, испытание при которых связано с разрушением образца, т. е. выявляет прочностные свойства битумов.

Для оценки трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, как показали исследования, наиболее интересным является испытание битумов на растяжимость. Согласно ГОСТ 22245-90 [77] растяжимость битумов определяют при 0 и 25 ˚С и скорости 50 мм/мин. Отмечается несомненная связь между растяжимостью при 0˚С и поведением битума в покрытии, однако существуют расхождения относительно методики проведения испытания. В то же время показатель растяжимости при 25˚С, подвергается серьёзной критике как объективный критерий эксплуатационных качеств битума, поскольку принятый режим испытания не соответствует условиям работы битума в дорожной конструкции. В процессе эксплуатации дорожной конструкции битум работает в условиях малых деформаций и его способность вытягиваться в нити длиной 50—100 см и более не реализуется при работе конструкции. Поэтому для оценки эксплуатационных свойств битумов контроль растяжимости необходимо осуществлять в условиях, когда прочность и деформативность битума исчерпываются уже при достаточно малых деформациях. Следовательно, процесс растяжения битумных

плёнок в расчётных эксплуатационных условиях работы дорожного покрытия (статический режим Т=-20 ˚С, V=0,05 мм/мин и динамический режим Т=5 ˚С, V=500 мм/мин) может быть имитирован испытанием при 0 0С и V=50 мм/мин, и

расчетным путем могут быть определены требования к растяжимости битумов при 0 ˚С и V=50 мм/мин в зависимости от климатических условий района строительства.

Зависимость прочности асфальтобетона от скорости деформирования является отражением физической природы разрушения как кинетического процесса, развивающегося во времени. Зависимость долговечности асфальтобетона от постоянной величины действующих напряжений показана на рис. 4.12. График 4.12 характеризует статическую усталость асфальтобетона.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что связь между величиной статической нагрузки и длительностью её действия до разрушения выражается прямой линией в координатах с логарифмической шкалой.

115

транспортных нагрузок определяются капитальностью всей дорожной одежды в целом, тогда режим постоянной амплитуды деформации ближе соответствует реальным условиям работы асфальтобетонного покрытия.

Исследования усталости асфальтобетонов при циклических воздействиях проводят в режиме постоянной амплитуды деформации или постоянной амплитуды напряжения.

Результаты испытаний асфальтобетонов разных типов на усталость при изгибе приведены на рис. 4.13. Наклон линий к оси времени характеризует коэффициент усталости. Чем более пластичен материал, тем в большей мере влияет фактор времени на происходящие в нём усталостные процессы.

Рис. 4.13. Усталостная долговечность асфальтобетонов разного состава: 1– асфальтобетон горячий на битуме БНД 40/60;

2 – асфальтобетон горячий на битуме БНД 90/130; 3- асфальтобетон холодный

Сравнительные данные об усталостной долговечности асфальтобетонов разного состава при изгибе с постоянной амплитудой деформации (при темпе-

117

ратуре 20 ˚С, частоте 868 мин-1) показали, что коэффициент усталости слоя асфальтобетонного покрытия зависит в значительной степени от состава асфальтобетона, вязкости и содержания битума, а также от пористости асфальтобетона. Анализ данных усталостных испытаний позволил определить средние значения коэффициентов усталости, характерные для слоёв покрытий, устроенных из асфальтобетонов различных видов. В табл. 4.10 приведены значения коэффициентов усталости асфальтобетонов различных видов при 0 и 20 ˚С (при частоте нагружения 858 мин-1). Влияние частоты нагружения на коэффициент усталости асфальтобетонов зависит от степени их пластичности (рис.4.14).

Рис. 4.14. Зависимость коэффициента усталости асфальтобетона

Важно отметить, что отклонения в дозировке вяжущего при строительстве существенно влияют на усталостную долговечность слоя покрытия. Так, например, если применяемая при строительстве смесь содержит не 7 % битума, а всего на 0,5 % меньше, то усталостная долговечность слоя асфальтобетонного покрытия снижается в 1,5 раза, т. е. разрушение покрытия произойдёт не через 18 лет, как допускается по нормам, а через 12 лет.

118

Линейная зависимость lgR (lgt) соблюдается в широком диапазоне длительностей действия нагрузок, что подтверждается результатами испытаний как на статическую, так и динамическую усталость. Лишь при очень малых напряжениях наблюдается отклонение от линейности, обусловленное зависимостью пластичности образца от уровня действующих напряжений.

Учитывая, что асфальтобетонное покрытие в процессе эксплуатации находится нередко во влажном состоянии, важной задачей является выявление влияния водонасыщения на усталостную долговечность асфальтобетона при циклическом динамическом деформировании.

Анализ результатов обследований эксплуатационного состояния чёрных дорожных покрытий, показывает, что одной из важных характеристик слоёв покрытий, влияющих на срок их службы, является показатель водоустойчивости.

Разрушения дорожных асфальтобетонных покрытий, связанные с недостаточной водоустойчивостью, составляют значительный процент от общего числа их повреждений. Особенно это характерно для районов, в которых дорожные покрытия длительные сроки работают во влажном состоянии, например, во 2-й климатической зоне. На дорогах 2-й климатической зоны повреждения асфальтобетонных покрытий в виде выбоин, выкрашиваний, трещин встречаются в среднем в два раза чаще, чем на дорогах в 3-й климатической зоне. При этом доля повреждений в виде выбоин и выкрашиваний (т. е. повреждений в первую очередь связанных с недостаточной водоустойчивостью) составляет во 2-й климатической зоне около 50 % от общего количества дефектов этого типа, а на дорогах в 4-й климатической зоне — лишь незначительный процент от общего числа дефектов покрытий.

Механизм разрушения асфальтобетонных покрытий под действием воды обычно связывают с длительными процессами проникновения воды в поры асфальтобетона и отслаиванием водой плёнки битума с поверхности минеральных частиц.

Поэтому оценка водоустойчивости асфальтобетонных покрытий основывается обычно на результатах снижения прочности при длительном выдерживании образцов в воде. Ускоренный способ основан на определении водонасыщения образцов под вакуумом с последующим определением их прочности.

Однако наличие существенного количества повреждений асфальтобетонных покрытий в виде выбоин и выкрашивания даже на участках, построенных с соблюдением технических требований, показывает, что применяемые стандартные методы оценки водоустойчивости, основанные на статическом воздействии воды, не дают достаточной гарантии качества асфальтобетонных покрытий при эксплуатации в условиях увлажнения.

Исследования показали, что одной из важнейших причин образования разрушений асфальтобетонных покрытий является воздействие динамических нагрузок в условиях водонасыщения.

При воздействии циклически повторяющихся динамических нагрузок, обусловленных движением потока автотранспортных средств, вода, находя-

119

щаяся в порах покрытия, имеет ограниченные возможности к перемещению из сжатой зоны в растянутую, учитывая ограниченное время цикла около 0,02 с. В результате в порах возникает пульсирующее гидродинамическое давление, значение которого может достигать больших величин и зависит от размеров и формы пор, модуля упругости и пластичности слоя покрытия.

Перераспределение напряжений в водонасыщенном покрытии при динамических воздействиях приводит к возрастанию величины растягивающих напряжений в верхнем слое, которые могут достигать величины действующих вертикальных напряжений, а в ряде случаев вследствие «эффекта клина» и значительно превосходить их.

Экспериментальные исследования влияния динамических нагрузок на водонасыщенные образцы были проведены с использованием специально сконструированной установки, обеспечивающей циклическое приложение динамических сжимающих нагрузок.

Образцы подвергались воздействию определённого числа циклов нагружения, а затем испытывались на прочность при сжатии при 20 ˚С стандартным методом. Влияние числа циклов нагружения и амплитуды напряжения на прочность образцов, работающих в сухом и водонасыщенном состоянии, приведены в табл. 4.11, из которой видно, что уже после 3000 циклов нагружения прочность водонасыщенных образцов состава Б, имеющих пористость 8,4 %, снижается на 41—54 %, в то время как прочность сухих образцов снижается всего на 19 %.

Таблица 4.11 Влияние воздействия циклических динамических нагрузок

на прочность водонасыщенных образцов

Столь резкое снижение прочности при воздействии динамических нагрузок характерно только для пористых асфальтобетонов. Так, прочность образцов состава № 1 с пористостью 3,4 % снижается после 6000 циклов нагружения в водонасыщенном состоянии всего на 18 %.

Проведённые исследования показывают, что воздействия циклических нагрузок на асфальтобетонное покрытие, находящееся во влажном состоянии, резко снижает его прочность.

Результаты усталостных испытаний асфальтобетонов, подвергнутых раз-

личным срокам выдерживания в воде после водонасыщения под вакуумом, приведены в табл. 4.12.

120