Определение влияния полимерно-дисперсно-армирующей добавки на эксплуатационные характеристики асфальтобетона
1. Усталостная долговечность асфальтобетонных покрытий при воздействии циклических нагрузок
В настоящее время на дорогах Российской Федерации одним из самых распространенных дефектов дорожных покрытий являются трещины.
Под воздействием транспортной нагрузки в покрытии попеременно возникают растягивающие и сжимающие напряжения (причем большая часть растягивающих напряжений приходится на нижний слой пакета асфальтобетонных слоев рис. 1). Повышение скоростей движения транспортных средств, рост интенсивности и грузоподъемности приводит к увеличению количества приложений транспортных нагрузок к асфальтобетонному покрытию в единицу времени, а, следовательно, к ускоренному развитию усталостных процессов в структуре асфальтобетона, появлению трещин и снижению сроков службы асфальтобетонного покрытия.
Под усталостью понимают изменение механических и физических свойств материала в результате постепенного накопления структурных повреждений под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. С практической точки зрения усталостной долговечностью в данном отчете принято считать количество циклов, выдерживаемое материалом до разрушения или до наступления отказа. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механических свойствах, макроструктуре, мезо - и микроструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от исходных свойств, вида напряжённого состояния, истории нагружения и влияния среды.
Рисунок 1 – Растягивающие (+) и сжимающие (-) напряжения в асфальтобетонном покрытии при проезде движущегося колеса
1.1 Влияние полимерно-дисперсно-армирующей добавки на усталостную долговечность асфальтобетона
Усталостное разрушение асфальтобетонов при воздействии циклической нагрузки – процесс стадийного преобразования связей между компонентами материала, механизм и скорость протекания которого определяется, главным образом, структурой асфальтобетона и асфальтового вяжущего, а также частотой и амплитудой приложения нагрузки.
Анализ зарубежного и отечественного опыта проведения испытаний асфальтобетонов циклическими нагрузками показал, что для исследования усталостной долговечности асфальтобетона целесообразно использовать метод вынужденных синусоидальных колебаний. Он доступен для реализации, позволяет легко контролировать частоту и форму колебаний электрическими методами, способствует упрощению учета погрешностей, обусловленных инерционными силами. Синусоидальная форма колебаний наиболее близка форме распределения напряжений в покрытии при образовании «нагонной волны» под движущейся транспортной нагрузкой.
Рисунок 2 - Кинематическая схема нагружения образца.
Метод испытания заключается в том, что к центральной части асфальтобетонного образца–балочки прикладывается изгибное перемещение с определенной частотой, вызывая циклический ее изгиб. Для этого образец закреплен по краям (рис.2). К средней части образца крепится узел передачи механических колебаний, передающий колебания от узла нагружения к асфальтобетонному образцу. Нагружение на образец прикладывается разных знаков, по форме имеет вид синусоиды. Частота приложения нагрузки – 10 Гц, что соответствует реальным режимам нагружения асфальтобетона в нижних слоях. В процессе испытания происходит регистрация выходных параметров: изменение амплитуды нагрузки и деформации во времени.
Испытания на усталостную долговечность проводились на образцах-балочках, полученных путем уплотнения горячих крупнозернистых плотных асфальтобетонных смесей типа А I марки, отличающихся технологией приготовления:
1. ПДА-добавки 0,3% (добавка № 1), время «сухого» перемешивания 7 секунд, время «мокрого» перемешивания 25 секунд;
2. ПДА-добавки 0,3% (добавка № 1), время «сухого» перемешивания 10 секунд, время «мокрого» перемешивания 30 секунд;
3. ПДА-добавки 0,2% (добавка № 1), время «сухого» перемешивания 7 секунд, время «мокрого» перемешивания 25 секунд;
4. ПДА-добавки нет, время «сухого» перемешивания 7 секунд, время «мокрого» перемешивания 25 секунд;
5. ПДА-добавки 0,3% (добавка № 2), время «сухого» перемешивания 7 секунд, время «мокрого» перемешивания 25 секунд;
6. ПДА-добавки 0,3% (добавка № 2), время «сухого» перемешивания 10 секунд, время «мокрого» перемешивания 30 секунд.
В процессе испытаний на усталостную долговечность асфальтобетонов из предложенных смесей определено количество циклов до отказа образца и коэффициенты усталости для каждого асфальтобетона (Куст) (тангенс угла наклона графиков к оси абсцисс).
Номера смесей в таблице указаны в соответствии с их нумерацией в начале раздела.
Наибольшее количество циклов до отказа выдержал асфальтобетон из смеси №6 и №2 с содержанием ПДА добавки 0,3% (соответственно добавка № 2 и добавка № 1) и временем «сухого» перемешивания 10 секунд, «мокрого» перемешивания 30 секунд, что свидетельствует о наибольшей усталостной долговечности данных смесей (таблица 1, рисунок 3). Примерно одинаковое количество циклов выдержали асфальтобетоны из смесей № 5 и №1. Наименьшее количество циклов до отказа из смесей, содержащих ПДА-добавку, показала смесь №3.
Таблица 1 – Средние значения усталостной долговечности при испытании
Номер смеси | Усталостная долговечность, циклы до отказа *104, при частоте нагружения 10 Гц и амплитуде напряжений 1МПа | Коэффициенты усталости |
1 | 2,5 | 0,272 |
2 | 3,3 | 0,268 |
3 | 2,2 | 0,275 |
4 | 1,9 | 0,290 |
5 | 2,8 | 0,270 |
6 | 4,3 | 0,265 |
Во всех случаях асфальтобетоны, содержащие в своем составе ПДА-добавку (№ 1, 2, 3, 5, 6), показали значительное увеличение количества циклов до отказа по сравнению с асфальтобетоном № 4 без добавки (рис. 4). Это увеличение составило от 1,2 до 2,3 раза, что свидетельствует о положительном влиянии ПДА-добавки на усталостную долговечность асфальтобетона.
Наличие армирующего наполнителя в составе ПДА-добавки объясняет повышение вязкости модифицированного вяжущего, модуля упругости и усталостной долговечности асфальтобетона на его основе.
Более низкие значения коэффициентов усталости для асфальтобетонов, содержащих ПДА-добавку, также свидетельствуют об улучшении усталостных свойств таких смесей.
№1 
№2
№3 
№4 
№5 
№6
Рисунок 3 –Усталостная долговечность асфальтобетонов из смесей №1-6.
Рисунок 6 - График усталостной долговечности горячих крупнозернистых плотных асфальтобетонов типа А, марки I
Кор. – добавка № 1, Черн. – добавка № 2
1.2 Исследование качественных характеристик процесса усталостного разрушения
Если рассмотреть процесс усталостного разрушения в форме зависимости деформации образца от времени или количества циклов, то можно различить стадии последовательного протекания явления (рис.4):
· переходная стадия (обжатие образца и доуплотнение);
· стадия устойчивости (стабилизации деформаций и постепенное накопление микродефектов);
· стадия развития трещины (рост скорости накопления микроповреждений в единице объема, развитие макротрещины и отказ образца).
Анализ длительности стадий показал удлинение второй стадии накопления микротрещин, образцов, содержащих ПДА-добавку, в среднем на 70% по сравнению с образцами, не содержащими ее, что свидетельствует о лучшей релаксационной способности - способности структуры ПДА-асфальтобетонов перераспределять микродефекты.
Рисунок 4 – Стадии усталостного разрушения образца при испытании
2. Испытания горячих плотных крупнозернистых асфальтобетонов типа А, I марки на устойчивость к колееобразованию
Для определения устойчивости к колееобразованию крупнозернистых плотных асфальтобетонов типа А, I марки были проведены испытания на приборе УК-1 (рисунок 5) путем прокатывания нагруженного колеса в соответствии с методикой ОДМ 218.3.017 – 2011.
Рисунок 5 - Схема установки УК-1
Прибор для испытания на колееобразование состоит из нагруженного колеса, которое опирается на образец, тщательно закрепленный на столике. Столик под колесом движется возвратно поступательно, создавая условия для возникновения колеи на поверхности испытываемого образца.
При проведении испытаний асфальтобетонные образцы-плиты термостатировались на воздухе (в климатической камере) в течение 4 часов при температуре +60 ± 1ºС, а затем подвергались циклическому воздействию колеса при заданном количестве циклов. Количество циклов – 30 000. Для каждого образца определяли максимальную глубину колеи.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что асфальтобетоны, содержащие в своем составе ПДА-добавку более устойчивы к колееобразованию по сравнению с асфальтобетоном, приготовленным на вязком дорожном битуме марки БНД 60/90 без ПДА-добавки.
Образцы-плиты асфальтобетона, сформованные из ПДА-смеси, приготовленной с увеличенным суммарным временем перемешивания до 40 сек, показали существенно большую устойчивость к колееобразованию (рис. 6).
Так, в результате исследований, глубина колеи в них оказалась:
- в 1,5-2 раза меньше по сравнению с асфальтобетонами с меньшим временем перемешивания;
- в 3 раза ниже по сравнению с асфальтобетоном без добавки.
Рисунок 6 - График деформирования горячих крупнозернистых плотных асфальтобетонов типа А, марки I
Кор. – добавка № 1, Черн. – добавка № 2
|
В качестве критерия, определяющего качество асфальтобетона при полном его соответствии требованиям ГОСТ 9128-2009, являлся показатель остаточной деформации, полученный на приборе динамического нагружения (далее – ПДИ).
Анализ полученных результатов
Полученные с использованием испытательного прибора данные позволят адекватно оценивать устойчивость асфальтобетона к динамическому воздействию автотранспортных средств, приближенных к реальным условиям эксплуатации дороги.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на приборе динамического нагружения по устойчивости к накоплению остаточных деформаций горячих плотных крупнозернистых асфальтобетонов типа А, I марки с ПДА-добавкой и без нее, представлены на рисунке 9.
Исходя из анализа полученных результатов, можно сделать вывод о том, что применение в асфальтобетонных смесях ПДА-добавки в количестве 0,3 % от массы минеральной части, позволяет уменьшить процессы накопления остаточных деформаций в 1,6 – 2,0 раза, тем самым, увеличив срок службы асфальтобетонных слоев при эксплуатации автомобильных дорог.
Рисунок 9 - График деформации горячих крупнозернистых плотных асфальтобетонов типа А, марки I
Кор. – добавка № 1, Черн. – добавка № 2
Выводы по результатам проведенных исследований
1. Усталостная долговечность горячих крупнозернистых плотных асфальтобетонов типа А, марки I, содержащих в своем составе 0,3 % ПДА-добавки от массы минеральной части, более чем в два раза выше, чем у аналогичных асфальтобетонов без добавки.
2. С увеличением суммарного времени перемешивания ПДА-смесей в смесительной установке АБЗ с 32 до 40 секунд, усталостная долговечность ПДА-асфальтобетонов возрастает на 30 – 45 %.
3. Устойчивость к колееобразованию горячих крупнозернистых плотных ПДА-асфальтобетонов типа А в 2,5 – 3 раза выше, чем у асфальтобетонов без добавки.
4. Наличие ПДА-добавки в 1,6 – 2,0 раза снижает величину накопления остаточных деформаций в конструктивном слое из горячей крупнозернистой асфальтобетонной смеси типа А, марки I.
5. По результатам испытаний горячих крупнозернистых плотных ПДА-асфальтобетонов на усталостную долговечность, устойчивость к колееобразованию и накоплению остаточных деформаций, установлено, что лучшими эксплуатационными характеристиками, определенными в лабораторных условиях, обладают ПДА-асфальтобетоны при соблюдении следующих параметров технологического перемешивания смеси в смесительном агрегате АБЗ:
- «сухое» перемешивание не менее 10 секунд;
- «мокрое» перемешивание не менее 30 секунд.
