Обеспечение соответствия структуры и свойств асфальтобетона реальным условиям эксплуатации

Наоборот, по мере исследования отдельных факторов, появляются новые, ранее неизвестные, требующие более  тщательного рассмотрения их влияния  на долговечность и надежность работы асфальтобетонных покрытий. В зависимости  от этих факторов могут меняться количественные характеристики сроков службы дорожных покрытий. Эксплуатационные воздействия, способствующие разрушению структуры  асфальтобетона можно условно разделить  в три основные группы:

- воздействие автотранспортных  средств на асфальтобетон дорожной  конструкции;

- воздействие окружающей  среды,  вызывающие снижение структурно-механических  характеристик асфальтовых бетонов;

-воздействие факторов, связанных  с эксплуатацией асфальтобетонных  покрытий.

Оценка долговечности  асфальтобетона была и остается важней­шей проблемой прогнозирования его  срока службы в покрытие дорож­ной одежды. Однако, несмотря на важность большую значимость долговечности асфальтобетона, в настоящее время отсутствуют стандартизированные показатели, позволяющие оценивать эту характеристику, а испытания асфальтобетона с определением показателей, предусмотренных ГОСТ 9128-97 на асфальтобетон, не позволяют ее прогнозировать. Это обусловлено тем, что долговечность дорожного асфальтобетона является комплексной характеристикой, зависящей от многих факторов, в числе которых климатические условия, параметры воздействия на покрытие нагрузок от транспортных средств характер конструкции дорожной одежды и свойств основания, структура и особенности свойств асфальтобетонов в слое дорожного покрытия

В связи с отсутствием  стандартизованных методов прогнозирования срока службы асфальтобетонных покрытий и их чрезвычайной важностью появилось большое число различных нестандартизованных показателей и методик, позволяющих при проведении сравнительных испытании оценивать долговечность дорожных асфальтобетонов.

Вот несколько их них:

а) Оценка и прогнозирование  долговечности дорожных покрытий по данным их визуального осмотра.  Визуальный осмотр позволяет наиболее быстро дать оценку состояния дорожных покрытий, интенсивности образования  на них деформаций и разрушений. Однако этот метод при всей его  простоте и удобстве наименее  точный и  используется, главным образом  на стадии выборочной предварительной  оценки состояния дорожных покрытий. При этом под деформацией покрытия понимается изменение  размеров или  формы его поверхности без  потери сплошности асфальтобетона и  уменьшения его массы. Разрушение  - изменение размеров и формы поверхности  покрытия при потере сплошности и  изменении массы асфальтобетона. Оценка  и прогнозирование долговечности  производится путем сопоставления  и анализа данных с требованиями предъявляемых к покрытиям автомобильных  дорог.

На основании результатов, полученных в ходе анализа при  сопоставлении данных обследования покрытия с требованиями , предъявляемыми к нему, дается заключение о состоянии покрытия, прогнозе его долговечности, возможности дальнейшей эксплуатации и т.д.

б) Оценка и прогнозирование  долговечности дорожных покрытий по интенсивности их износа. Износ характеризуется  потерей массы материала, отнесенной к площади оцениваемого участка. В пределах проезжей части износ  покрытия происходит неравномерно. Неодинаковый износ по площади дорожного покрытия обусловлен следующими факторами: непостоянством  прочности поверхностного слоя по площади; низкой  ровностью, что приводит к ударным нагрузкам и застою воды на поверхности и т.д. Поэтому  для точного определения износа покрытия необходимо проведение многочисленных измерений в пределах оцениваемого участка. Периодический контроль степени  износа дорожных покрытий является непременным  условием своевременного обнаружения  дефектов и назначения соответствующих ремонтных работ, позволяющих продлить срок его службы. Толщина изнашиваемого слоя определяется путем сравнения условной отметки поверхности покрытия в момент ее определения с первоначальной отметкой:

Δh = hn-1-hn

hn- отметка поверхности покрытия при последнем измерении, м;

hn-1 – отметка поверхности  при  предшествующем измерении,  м.

По результатам испытания  дорожного покрытия на износ можно  рассчитать долговечность (срок службы) этого материала по износу в слое покрытия:

Т = h0/ Δhг

h0 – максимальная величина  износа слоя покрытии, допускаемая условиями его эксплуатации, см:

Δhг – величина износа покрытия за год, см.

в) Прогнозирование долговечности  асфальтобетона при оценке свойств  исходного битума. Данный метод учитывает  тот факт, что изменение свойств  асфальтобетона под воздействием природно-климатических  факторов с течением времени обусловлено, главным образом, изменениями свойств  битума. Сравнительная оценка влияния  на битум различных факторов старения  показывает, что доминирующим является термоокислительной старение  - окисление, происходящее при нагревании битума в присутствии кислорода. Для  оценки прогнозирования интенсивности  старения битума широко используется метод инфракрасной спектроскопии. Об интенсивности старения битумов  обычно свидетельствуют глубокие полосы в области частот  1100, 1340. 1380 см-1 (валентные колебания группы СН3), 1600 см-1 (плоскостные колебания С=С связи в бензольном кольце; их интенсивность указывает на содержание ароматических структур в битумах), 1700 см-1  (валентные колебания карбонильной группы С=О, по их интенсивности можно судить о погодостойкости битумов) и т.д.

г) Прогнозирование долговечности  асфальтобетона  путем  определения  его износостойкости. Долговечность  дорожных покрытий в значительной мере определяется износостойкостью асфальтобетона в покрытии может выражаться в истирании (поверхностный износ), внутреннем износе и шелушении. При правильном подборе состава и соблюдении требований  технологии приготовления асфальтобетонных смесей износ покрытия  будет определяться главным образом, истиранием его структурных элементов, т.е. в значительной степени адгезией битума с поверхностью минерального материала. Установлено. Что именно износостойкость по истиранию, в основном, определяет срок службы покрытия. Износ асфальтобетона является сложным процессом и не поддается вычислению по формулам. Для описания процессов износа асфальтобетона в взаимосвязи с комплексом воздействующих на него факторов отсутствуют даже приближенные уравнения, поэтому износостойкость рассматривают, как самостоятельную характеристику.

Долговечность асфальтобетона в значительной степени определяется его прочностью на изгиб в весенний период. С увеличением расхода  вяжущего прочность на растяжение при  изгибе асфальтобето­на вначале возрастает, а затем, после максимальных значений, ко­торым соответствует оптимальное содержание битума, снижается. Эта тенденция сохраняется при любом расходе минерального порошка в асфальтобетонных смесях.

Долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий во многом определяется сдвигоустойчивостью асфальтобетона в летнее время и его температурной трещиностойкостью зимой. Эти качества асфальтобетона могут оцениваться по пределам прочности при +50 и 0 °С. При этом асфальтобетоны на более вязком битуме (БНД40/60, БНД 60/90) характеризуются повышенной прочностью, более высокими коэффициентами водостойкости по сравнению с асфальтобетонами на битумах марок БНД 90/130 и БНД 130/200. Однако повышение прочности асфальтобетона, как правило, сопровождается снижением его трещиностойкости в период отрицательных температур.

Одним из основных свойств, характеризующих долговечность  ас­фальтобетонных покрытий в 1-3 дорожно-климатических  зонах, явля­ется морозостойкость  асфальтобетона, оцениваемая потерей  проч­ности материала после заданного  количества циклов замора­живания-оттаивания (коэффициентом морозостойкости) и  количеством переходов температуры  через О °С сквозь всю его толщу. Перед испытанием на морозостойкость образцы асфальтобетона насыщают водой. Коэффициент морозостойкости устанавливается как отношение предела прочности на сжатие при 20 °С образцов асфальтобетона после определенного количества циклов замораживания-оттаивания к пределу прочности образцов после их водонасыщения. Один цикл обычно включает замораживание при температуре -20 (-25)  С в течение 4 ч и оттаивание такое же время в воде при комнатной температуре (+20 °С).

Кроме рассмотренных методов  и показателей, с помощью которых  можно лишь косвенно оценить долговечность  асфальтобетона, рядом исследователей предлагаются комплексные критерии, позволяющие, по их мнению, более точно  прогнозировать срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий. К таким  комплексным критериям оценки долговечности  асфальтобетона можно отнести показатели его долговременной прочности, вязкости, прочности при сдвиге, выносливости,  устанавливаемые при положительных  и отрицательных температурах.

            Под долговременной прочностью  асфальтобетона понимается время  от начала деформирования материала  до его разрушения, в достаточно  широком интервале времени (от I до 5000 с). Показатель долговременной прочности предлагается устанавливать в условиях простого сдвига путем кручения цилиндрических образцов асфальтобетона при постоянных скорости деформирования или вели­чине действующей нагрузки.

         Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на долговечность является плотность асфальтобетонных покрытий. Недостаточное уплотнение покрытия может свести на нет любые мероприятия, направленные на повышение качества и долговечности покрытия. Недоуплотненные покрытия разрушаются до приобретения необходимой плотности, в первую очередь выходят из строя полосы, где нет движения и не происходит доуплотнения асфальтобетона.

К важным комплексным критериям  прогнозирования долговечности  дорожных асфальтобетонных покрытий следует  отнести усталость и (или) выносливость асфальтобетона, так как этот материал, находясь в слое покрытия под воздействием транспортных средств, подвергается многократным усталостным циклическим нагружениям. При этом сплошность слоя из асфальтобетона не будет нарушена, если возникающие в нем при многократном изгибе растягивающие напряжения не будут превышать допускаемых напряжений, устанавливаемых по ВСН 46-83 с учетом усталостных явлений.

Под усталостью в общем  случае понимается изменение состояния  материала в результате - мноогократного (циклическиго) деформирования, приводящее к его разрушению. Выносливость – способность материала сопротивляться действию повторных (циклических) нагрузок. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости - напряжением, соответствующим разрушению при заданном большом числе циклов нагружений (наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения заданное число раз).

Технологическое старение битума

В процессе приготовления, хранения в накопительном бункере и  транспортирования асфальтобетонной смеси битум в виде тонких пленок на поверхности минерального материала  находится при высоких температурах. Это создает благоприятные условия  для интенсивного протекания в нем  термоокислительных и других процессов, приводящих к старению битума. Интенсивность  старения битума при выдерживании смеси  в бункере и в процессе транспортирования  определяется температурным режимом  смеси, ее составом, типом дисперсной структуры битума, толщиной битумной пленки на зернах минеральных материалов и степенью ее структурированности.

В тонких пленках при высокой  температуре процессы старения протекают  настолько интенсивно, что практически  через каждый час битум переходит  в другую марку с более высокой  вязкостью. В итоге асфальтобетон  в покрытии содержит битум с меньшей  глубиной проникания иглы, чем было принято при подборе его состава. Это обстоятельство — одна из главных  причин существенного сокращения срока  службы асфальтобетонных покрытий.

При выборе марки битума для асфальтобетона необходимо учитывать  не только дорожно-климатическую зону эксплуатации покрытия, как это рекомендует  ГОСТ 9128-97, но и изменение свойств  битума в технологическом процессе. При этом в зависимости от его  продолжительности марочную вязкость битума необходимо уменьшать путем  применения менее вязких марок битумов  заводского приготовления или, при  отсутствии такой возможности, разжижения исходного битума до требуемой вязкости.

Повышение температуры и  увеличение времени выдерживания смеси  при этой температуре ускоряют старение битумов. В этих условиях помимо толщины  битумной пленки большую роль играет степень ее структурированности  минеральным порошком. В смесях для  асфальтобетонов с меньшей остаточной пористостью старение битума происходит медленнее, чем в смесях для более  пористых асфальтобетонов.

Независимо от состава  смеси и качества процессы старения битума в пленках резко интенсифицируются  при температуре 160 °С и выше.