3826

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.36622/VSTU.2020.58.2.008

УДК 691.168

ПОВЫШЕНИЕ СРОКОВ СЛУЖБЫ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ДРЕНИРУЮЩИХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ

Е. В. Углова 1, Н. И. Ширяев 2

Донской государственный технический университет 1, 2 Россия, г. Ростов-на-Дону

1Д-ртехн. наук, проф., зав. кафедрой автомобильных дорог, e-mail: Uglova.ev@yandex.ru

2Аспирант кафедры автомобильных дорог, е-mail: nikita24121990@gmail.com

Постановка задачи. Исследуется степень влияния содержания полимерно-модифицированного битума, адгезионой добавки и минеральных материалов различных горных пород на физикомеханические и эксплуатационные свойства дренирующего асфальтобетона.

Результаты. Представлены результаты математического планирования трехфакторного эксперимента в процессе исследования эксплуатационных свойств дренирующих асфальтобетонов. Выводы. Разработан и обоснован состав дренирующей асфальтобетонной смеси на минеральных материалах различных видов и типов горной породы и полимерно-модифицированном битуме ПМБ 50/70 с адгезионной добавкой, обеспечивающий повышение срока службы дорожных покрытий за счет оптимизации показателей физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона, в том числе истираемости, скорости фильтрации и водостойкость.

Ключевые слова: дренирующий асфальтобетон, дренирующая асфальтобетонная смесь, верхний слой покрытия, полимерно-модифицированный битум, водостойкость.

Введение. Покрытия из дренирующего асфальтобетона обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики автомобильных дорог [1, 5, 6, 19]. Высокая пористость асфальтобетона способствует повышению водопроницаемости, что уменьшает количество поверхностной воды и соответственно образование брызг при дождливой погоде [11, 12, 15]. Это ведет к снижению риска аквапланирования и увеличению видимости на дорогах, а в конечном итоге к повышению уровня безопасности. Кроме того, особая текстура поверхности дренирующего асфальтобетона (рис. 1) способствует сокращению шума, возникающего при взаимодействии шины с покрытием.

А Б

Рис. 1. Текстура поверхности образцов асфальтобетона:

а) щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА-15; б) дренирующий асфальтобетон ДА-15

Дренирующий асфальтобетон при использовании в верхних слоях покрытия подвергается воздействию внешних факторов, среди которых следует выделить истирание от шипованных шин автомобиля, загрязнение поверхности от выезда сельскохозяйственной техники.

© Углова Е. В., Ширяев Н. И., 2020

100

Опыт зарубежных стран показывает, что срок эксплуатации покрытий из высокопористых асфальтобетонных смесей с открытой гранулометрией не превышает 2—4 года, во многом из-за преждевременного шелушения и выкрашивания [15].

В работе предложены новые критерии оценки качества дренирующих асфальтобетонов по показателям водостойкости по методу Lottman, истираемости по методу Prall Test и устойчивости к колееобразованию, позволяющие в отличие от существующих методов спрогнозировать срок службы верхнего слоя покрытия, определив степень воздействия шипованных шин и погодно-климатических факторов на слои износа из дренирующих асфальтобетонов. Также предложены решения по повышению качества дренирующего асфальтобетона путем оптимизации его состава при использовании комплексного вяжущего на основе поли- мерно-модифицированного битума и адгезионной добавки.

1. Подбор дренирующей асфальтобетонной смеси по методу гранулометрических кривых. Для подбора состава дренирующей асфальтобетонной смеси по СТО АВТОДОР 2.15-2016 использовались щебень различных горных пород (гранит, габбро и песчаник) фракции 5—10 и 10—15 мм (зерновые составы представлены в табл. 1), песок из отсевов дробления, активированный минеральный порошок, стабилизирующая добавка СД-3 и по- лимерно-модифицированный битум марки ПМБ 50/70 [2, 16].

Таблица 1

Зерновые составы минеральных материалов

По результатам анализа нормативно-технической документации производителя содержание стабилизирующей добавки составляет 0,4 % от массы минеральных материалов

(СТО 77142802-003-2011).

В качестве органического вяжущего использовался полимерно-модифицированный битум СБС ПМБ «ДДС» 50/70 72-22 производителя АО «СМУ-Дондорстрой».

Все компоненты асфальтобетонной смеси соответствовали требованиям действующей нормативно-технической документации.

Выбор оптимального содержания минеральных материалов и органического вяжущего осуществляли по показателям физико-механических свойств, а именно: остаточной пористости, средней плотности, устойчивости к расслаиванию по показателю стекания вяжущего, коэффициенту морозостойкости и скорости фильтрации.

101

Научный журнал строительства и архитектуры

Для установления зависимостей между количествами инертных материалов и органического вяжущего в работе были проведены экспериментальные исследования с различным содержаниемщебеночнойчасти асфальтобетонной смесии полимерно-модифицированного битума.

Кривые гранулометрического состава дренирующей асфальтобетонной смеси ДА-15 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Кривые гранулометрического состава:

состав № 1 с содержанием щебня 91,75 %; состав № 2 с содержанием щебня 90,71 %; состав № 3 с содержанием щебня 85,7 %

102

Результаты испытания разработанных составов с различным содержанием органического вяжущего представлены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты испытания дренирующего асфальтобетона ДА-15

Из данных рис. 3 следует, что с уменьшением процентного содержания вяжущего и увеличением щебеночной части смеси происходит увеличение остаточной пористости, а значит, и снижение плотности асфальтобетона. Однако следует отметить, что все результаты по

103

Научный журнал строительства и архитектуры

остаточной пористости находятся в пределах нормативных требований. Из полученных результатов видно, что наиболее оптимальным свойствами обладают смеси состава № 2 с количеством ПМБ 3,8 %. Увеличение содержания битума приводит к существенному снижению скорости фильтрации на 40 % и увеличению стекания вяжущего на 30 %. дренирующие асфальтобетоны на полимерно-битумных вяжущих имеют низкие значения по показателям «коэффициент водостойкости по методу Lottman» и «коэффициент водостойкости» по ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытания», что свидетельствует о том, что в составе асфальтобетонных смесей необходимо увеличивать толщину битумной пленки за счет использования адгезионной добавки.

2. Разработка математических зависимостей физико-механических и эксплуатационных характеристик от вида горной породы, количества полимерномодифицированного битума и адгезионной добавки. Исследование влияния содержания полимерно-модифицированного битума, адгезионной добавки и минеральных материалов различных горных пород на физико-механические и эксплуатационные свойства дренирующего асфальтобетона проводилось с использованием математического планирования трехфакторного эксперимента [6, 17, 20, 21]. В процессе экспериментальных исследований проводились испытания по показателям «коэффициент водостойкости», «скорость фильтрации» и «истираемость».

Для оценки влияния адгезионной добавки и минеральных материалов горной породы основного и кислого состава на физико-механические и эксплуатационные свойства дренирующих асфальтобетонов был взят состав № 2 и оптимизирован в соответствии с зерновым составом применяемых минеральных материалов. Экспериментальные составы представлены в табл. 2.

Вкачестве исследуемых показателей свойств дренирующего асфальтобетона в трехфакторном эксперименте были выбраны: скорость фильтрации, коэффициент водостойкости по методу Lottman и истираемость по методу Prall-test [4, 8, 11].

При проведении экспериментальных исследований было изготовлено по 9 образцов для каждой точки плана. Образцы изготавливали в соответствии с ПНСТ 115-2016.

Вкачестве варьируемых величин в трехфакторном эксперименте были выбраны следующие: Х1 — горная порода минеральных материалов; Х2 — содержание адгезионной добавки АМДОР-20Т; Х3 — содержание полимерно-модифицированного битума ПМБ 50/70. Исследовались: истираемость, Y1; скорость фильтрации Y2, коэффициент водостойкости Y3.

Эти величины Yi в теории планирования эксперимента называют функциями отклика. План эксперимента и интервалы варьирования факторов определяли на основании

предварительных результатов испытания. Исследуемые факторы и диапазоны их варьирование представлены в табл. 3.

104

Зависимости между исследуемыми переменными и эксплуатационными свойствами дренирующего асфальтобетона были установлены с помощью уравнения регрессии:

y B0 B1X1 B2X2 B3X3 B11X11 B22X22 B33X32 B12X1X2 B13X1X3 B23X2X3,

где Bi — коэффициент регрессии; Xi — количество переменных; Yi — функция отклика.

На основании результатов трехфакторного эксперимента были получены математические модели, адекватно описывающие функции отклика от варьируемых факторов, установлены рациональные области их значений для прогнозирования степени влияния на показатели физико-механических и эксплуатационных свойств дренирующего асфальтобетона [1].

Изоповерхности основных исследуемых показателей представлены на рис. 4.

Исходя из анализа изоповерхностей рис. 4 можно сформулировать следующие основные принципы влияния исследуемых факторов на эксплуатационные свойства дренирующих асфальтобетонов:

дренирующие асфальтобетонные смеси, приготовленные на минеральных материалах из габбро-диабаза или гранита, на 46 % устойчивее к истираемости по методу Prall-test, чем смеси, приготовленные с использованием минеральных материалов песчаника;

105

Научный журнал строительства и архитектуры

при увеличении содержания вяжущего и при максимальной концентрации адгезионной добавки дренирующие асфальтобетонные смеси устойчивее по показателю истираемость по методу Prall-test, чем при низких концентрациях вяжущего и адгезионной добавки, что во многом обусловлено увеличением адгезионных и когезионных связей;

повышение концентрации адгезионной добавки во всех исследуемых смесях, независимо от вида горной породы и процентного содержания вяжущего, оказывает основное влияние на коэффициент водостойкости по методуLottman;

показатель «скорость фильтрации» в основном подвержен снижению при увеличении процентного содержания вяжущего, что связано с уменьшением числа пор в асфальтобетоне.

в)

Рис 4. Изоповерхности исследуемых показателей: а) истираемость по методу Prall-test;

б) скорость фильтрации;

в) коэффициент водостойкости по методуLottman

Таким образом, на основании данных экспериментальных исследований установлено, что для приготовления дренирующих асфальтобетонных смесей с высокими показателями физико-механических и эксплуатационных свойств рекомендуется использовать минеральные материалы из габбро-диабаза, а содержание вяжущего должно составлять 3,7 % при концентрации адгезионной добавки не менее 0,4 % от массы органического вяжущего и 3,8 % при концентрации адгезионной добавки 0,3 % от массы органического вяжущего.

3. Прогнозирование срока службы верхнего слоя покрытия. С целью прогнозирова-

ния срока службы дренирующего асфальтобетона были выполнены испытания оптимизиро-

106

ванного состава дренирующего асфальтобетона на минеральном материале из габбродиабаза с содержанием органического вяжущего в количестве 3,7 % и адгезионной добавкой на устойчивость к колееобразованию.

Приготовление образцов-плит для испытания на колееобразование осуществлялось на секторном уплотнителе, имитирующем процесс уплотнения асфальтобетонной смеси катками в производственных условиях [17, 20].

Образцы-плиты перед началом испытания термостатировались в климатической камере при температуре (60 ± 1) °С в течение 4-х часов, а затем подвергались воздействию колеса при заданном количестве циклов [15].

Результаты испытаний представлены на рис. 5.

Анализ результатов исследования показал, что при оптимальном составе всех компонентов дренирующей асфальтобетонной смеси фактическое значение по показателю «устойчивость к колееобразованию» составляет в среднем 0,47 мм.

При прогнозировании срока службы покрытия из дренирующего асфальтобетона по предельно допустимому значению колееобразования (2 см) в соответствии с действующей нормативно-технической документацией его эксплуатация возможна более 7 лет без образования пластических деформаций (рис. 6).

Выводы. Использование адгезионной добавки позволяет увеличить показатель водостойкости по методу Lottman за счет увеличения битумной пленки на поверхности минеральных материалов, что, в свою очередь, приводит к повышению устойчивости к трещинообразованию. Для повышения стойкости дренирующих асфальтобетонов к климатическим факторам содержание адгезионной добавки должно быть не менее 0,4%.

Разработанные новые составы дренирующего асфальтобетона с комплексным модифицированным вяжущим обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики, а именно: истираемость, скорость фильтрации и водостойкость — в течение всего срока службы верхнего слоя покрытия. Разработанные составы позволят повысить срок службы верхнего слоя покрытия и увеличить межремонтные сроки с 3—4 до 5—7 лет.

Исследования показали, что дренирующий асфальтобетон на минеральных материалах из габбро-диабаза или гранита менее подвержен истираемости под воздействием шипованных шин, что повышает долговечность покрытия.

107

Научный журнал строительства и архитектуры

Срок ремонта покрытия, лет

Рис. 6. Прогнозируемая глубина колеи на поверхности дорожного покрытия в зависимости от вида асфальтобетона:

Нпред — предельно допустимое число устойчивости к колееобразованию; Т — срок службы покрытия; тип А — мелкозернистый плотный асфальтобетон типа А;

ЩМА — щебеночно-мастичный асфальтобетон ЩМА-15; ДА — дренирующий асфальтобетон ДА-15; БНД — битум нефтяной дорожный вязкий; ПМБ — полимерно-модифицированный битум

Библиографический список

1.Золотарев, В. А. Долговечность дорожных асфальтобетонов / В. А. Золотарев // Вест. Харьков. дор. ун-та. — 1977. — C. 116.

2.Иванов, Н. Н. Пути увеличения долговечности асфальтобетонных покрытий / Н. Н. Иванов // Автомобильные дороги. — 1964. — № 1. — С. 21—22.

3.Ребиндер, П. А. Научные основы технологии производства новых строительных материалов / П. А. Ребиндер // Вестник АН СССР. — 1961. — № 10. — С. 70—77.

4.Пат. 148806 Россия, МПК G01N 15/08, № 2014136634/28. Прибор для определения коэффициента фильтрации образцов из дренирующей асфальтобетонной смеси — «ПФДА» / Чернов С. А., Голюбин К. Д., Ширяев Н. И., Леконцев Е. В., Мардиросва И. В; заявл. 9.09.2014; опубл.20.12.2014 Бюл. № 35.

5.Чирва, Д. В. Анализ эффективности влияния стабилизирующих и полимерных добавок на физикомеханические показатели щебеночно-мастичных смесей / Д. В. Чирва, С. А. Чернов // Автомобильные дороги. — 2013. — № 8 (981). — С. 70—75.

6.Чернов, С. А. Эксплуатация покрытий автомобильных дорог из дренирующего асфальтобетона / Н. И. Ширяев. — Ростов н/Д.: ДГТУ, 2018. — 120 с.

7. Ширяев, Н. И. Дренирующие асфальтобетоны для верхних слоев покрытия / Н. И. Ширяев, С. А. Чернов // Строительство — 2015: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. — Ростов н/Д, 2015. — С. 54 — 57.

8.Bredahl, C. Construction of Two-Layer Porous Pavements / C. Bredhal. — Danish Road Institute, 2005. —

P. 34—68.

9.Gandhi, T. Laboratory Investigation of Warm Asphalt Binder Properties — A Preliminary Investigation / T. Gandhi // Proceedings of the International Conference on Maintenance and Rehabilitation of Pavement and Technological Control. — Utah, 2007. — P. 8—10.

10.Hurley, G. Evaluation of Evotherm® for use in warm mix asphalt / G. Hurley// NCAT report. — 2006. —

P. 6—12.

11.Huwe, L. Performance Related Evaluation of Porous Asphalt Mix Design / L. Huwe // Proceeding of Malaysian Road Conference. — Kuala Lumpur, Malaysia, 1996.

12. Kandhal, P. Design, Construction, and Maintenance of Open-Graded Asphalt Friction Courses / P. Kandhal // Information. — Series 115. National Asphalt Pavement Association. — 2002. — P. 37—92.

108

13.Kandhal, P. S. Open Graded Asphalt Friction Course: State of Practice / P. S. Kandhal, R. B. Mallick // Transportation Research Circular E-C005. Transportation Research Board. Washington, D. C. (1998).

14.Khalid, H. Performance assessment of Spanish and British porous asphalts. Performance and Durability of Bituminous Materials / H. Khalid // Published byE &FN Spon, London. — 1996. — P. 137—157.

15.Klenzendorf, J. B. Quantifying the behavior of porous asphalt overlays with respect to drainage hydraulics and runoff water quality / J. B. Klenzendorf // Environ. Eng. Geosci. — 2012. — № 18. — P. 99—111.

16.Liu, Q. Induction healing of porous asphalt concreate / Q. Liu // Wuhan University of technology. — 2012. — P. 145—167.

17.Nielse, C. Durability of Porous Asphalt — International Experience / C. Nielse // Danish Road Institute Technical Note 41 / Road Directorate Ministryof Transport and Energy. — 2006.

18.Pagotto, C. Comparison of the hydraulic behaviour and the quality of highway runoff water according to the type of pavement / C. Pagotto, V. Legret // Water Res. — 2000. — № 34. — P. 4446—4454.

19.Rogge, D. Development of Maintenance Practices for Oregon F-mix. Publication FHWAOR-RD-02-09 / D. Rogge. — Federal HighwayAdministration, U. S. Department.

20.Suresha, S. N. Laboratory and Theoretical Evaluation of Clogging Behavior of Porous Friction Course Mixes / S. N. Suesha // International Journal of Pavement Engineering. — 2008. — Vol. 1. — P. 61—70.

21.Wielinski, J. Laboratory and Field Evaluations of Foamed Warm-Mix Asphalt Projects / J. Wielnski // Transportation Research Record. — 2009. — № 2126. — P. 125—131.

References

1.Zolotarev, V. A. Dolgovechnost' dorozhnykh asfal'tobetonov / V. A. Zolotarev // Vest. Khar'kov. dor. unta. — 1977. — C. 116.

2.Ivanov, N. N. Puti uvelicheniya dolgovechnosti asfal'tobetonnykh pokrytii / N. N. Ivanov // Avtomobil'nye dorogi. — 1964. — № 1. — S. 21—22.

3. Rebinder, P. A. Nauchnye osnovy tekhnologii proizvodstva novykh stroitel'nykh materialov /

P.A. Rebinder // Vestnik AN SSSR. — 1961. — № 10. — S. 70—77.

4.Pat. 148806 Rossiya, MPK G01N 15/08, № 2014136634/28. Pribor dlya opredeleniya koeffitsienta fil'tratsii obraztsov iz dreniruyushchei asfal'tobetonnoi smesi — «PFDA» / Chernov S. A., Golyubin K. D., Shiryaev N. I., Lekontsev E. V., Mardirosva I. V; zayavl. 9.09.2014; opubl.20.12.2014 Byul. № 35.

5.Chirva, D. V. Analiz effektivnosti vliyaniya stabiliziruyushchikh i polimernykh dobavok na fizikomekhanicheskie pokazateli shchebenochno-mastichnykh smesei / D. V. Chirva, S. A. Chernov// Avtomobil'nye dorogi. — 2013. — № 8 (981). — S. 70—75.

6. Chernov, S. A. Ekspluatatsiya pokrytii avtomobil'nykh dorog iz dreniruyushchego asfal'tobetona /

N.I. Shiryaev. — Rostov n/D.: DGTU, 2018. — 120 s.

7.Shiryaev, N. I. Dreniruyushchie asfal'tobetony dlya verkhnikh sloev pokrytiya / N. I. Shiryaev,

S.A. Chernov // Stroitel'stvo — 2015: materialyMezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Rost. gos. stroit. un-t. — Rostov n/D, 2015. — S. 54 — 57.

8.Bredahl, C. Construction of Two-Layer Porous Pavements / C. Bredhal. — Danish Road Institute, 2005. —

P.34—68.

9.Gandhi, T. Laboratory Investigation of Warm Asphalt Binder Properties — A Preliminary Investigation /

T.Gandhi // Proceedings of the International Conference on Maintenance and Rehabilitation of Pavement and Technological Control. — Utah, 2007. — P. 8—10.

10.Hurley, G. Evaluation of Evotherm® for use in warm mix asphalt / G. Hurley// NCAT report. — 2006. —

P.6—12.

11.Huwe, L. Performance Related Evaluation of Porous Asphalt Mix Design / L. Huwe // Proceeding of Ma-

laysian Road Conference. — Kuala Lumpur, Malaysia, 1996.

12. Kandhal, P. Design, Construction, and Maintenance of Open-Graded Asphalt Friction Courses /

P.Kandhal // Information. — Series 115. National Asphalt Pavement Association. — 2002. — P. 37—92.

13.Kandhal, P. S. Open Graded Asphalt Friction Course: State of Practice / P. S. Kandhal, R. B. Mallick // Transportation Research Circular E-C005. Transportation Research Board. Washington, D. C. (1998).

14.Khalid, H. Performance assessment of Spanish and British porous asphalts. Performance and Durability of Bituminous Materials / H. Khalid // Published byE &FN Spon, London. — 1996. — P. 137—157.

15.Klenzendorf, J. B. Quantifying the behavior of porous asphalt overlays with respect to drainage hydraulics and runoff water quality/ J. B. Klenzendorf // Environ. Eng. Geosci. — 2012. — № 18. — P. 99—111.

16.Liu, Q. Induction healing of porous asphalt concreate / Q. Liu // Wuhan University of technology. — 2012. — P. 145—167.

17.Nielse, C. Durability of Porous Asphalt — International Experience / C. Nielse // Danish Road Institute Technical Note 41 / Road Directorate Ministryof Transport and Energy. — 2006.

109