Проектирование составов асфальтобетона

Г. Н. Кирюхин, Е. А. Смирнов






        ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВОВ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Монография



























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 625.8
ББК 39.311-06
     К43


Рецензенты:
профессор кафедры строительства и эксплуатации дорог МАДИ (ГТУ), доктор технических наук А. П. Лупанов; главный специалист ФАУ «РОСДОРНИИ», член-корреспондент Академии военных наук, доктор технических наук А. В. Руденский



     Кирюхин, Г. Н.

К43       Проектирование составов асфальтобетона : монография / Г. Н. Ки-
     рюхин, Е. А. Смирнов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -204 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1286-5

          Рассмотрены специфические особенности, различия и недостатки известных методов подбора составов асфальтобетонной смеси, обоснована необходимость их развития в направлении функционального проектирования оптимального асфальтобетона применительно к конкретным условиям эксплуатации. Показано влияние состава и свойств асфальтобетона на работоспособность дорожных покрытий. Рассмотрены различные виды асфальтобетонов и оптимальные области их применения в конструкциях дорожных одежд, а также ряд инноваций в области технологии асфальтобетонных смесей. Приведены результаты исследований эксплуатационных свойств асфальтобетона с учетом напряженно-деформированного состояния и температурно-временных условий нагружения.
          Для специалистов в области проектирования и строительства автомобильных дорог. Может быть полезно студентам строительных и транспортных направлений подготовки.

УДК 625.8
                                                         ББК 39.311-06








ISBN 978-5-9729-1286-5

     © Кирюхин Г. Н., Смирнов Е. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................................5
1. ИСТОРИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ
АСФАЛЬТОБЕТОНА......................................................7
  1.1. Метод проф. П. В. Сахарова..............................7
  1.2. Метод СоюзДорНИИ........................................8
  1.3. Метод проф. И. А. Рыбьева..............................13
  1.4. Метод М. Дюрье.........................................15
  1.5. Метод Хаббарда-Филда...................................16
  1.6. Метод Хвима............................................17
  1.7. Метод Маршалла.........................................20
  1.8. Метод «Суперпейв»......................................25
  1.9. Анализ методов проектирования асфальтобетона...........30
2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА........................34
  2.1. Минеральный остов......................................37
  2.1.1. Оценка зернового состава.............................44
  2.1.2. Влияние зернового состава на свойства асфальтобетона.50
  2.2. Асфальтовое вяжущее....................................55
  2.2.1. Реология.............................................56
  2.2.2. Роль минерального порошка............................60
  2.2.3. Роль битумного вяжущего..............................62
  2.3. Влияние структуры на расчетные характеристики асфальтобетона.70
3. ИННОВАЦИОННЫЕ СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИИ АСФАЛЬТОБЕТОНА ... 79
  3.1. Основные виды добавок для битумов и асфальтобетонов....79
  3.2. Полимерные добавки.....................................82
  3.3. Использование местных материалов и отходов промышленности....90
  3.3.1. Гранулят старого асфальтобетона......................91
  3.3.2. Резиновая крошка.....................................95
  3.3.3. Добавление серы в асфальтобетонные смеси............100
4. РАЗНОВИДНОСТИ ПРИМЕНЯЕМЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ.................102
  4.1. Литой асфальтобетон...................................103
  4.2. Высокоплотный асфальтобетон...........................106
  4.3. Щебеночно-мастичный асфальтобетон.....................112
  4.4. Плотные и пористые асфальтобетоны из горячих укатываемых смесей ... 126
  4.5. Дренирующий асфальтобетон.............................133
  4.6. Теплый асфальтобетон..................................140
  4.7. Холодный асфальтобетон................................144
  4.7.1. Традиционные холодные смеси.........................144
  4.7.2. Черные щебеночные смеси.............................147
  4.7.3. Ремонтные складируемые смеси........................149

3

5. ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.....................152
  5.1. Подходы к оптимизации свойств асфальтобетона..........154
  5.2. Учет внешних факторов.................................158
  5.2.1. Климатические факторы...............................159
  5.2.2. Транспортные нагрузки...............................162
  5.2.3. Конструктивные факторы..............................163
  5.3.   Теоретические предпосылки нелинейного деформирования и разрушения асфальтобетона..................................165
  5.3.1. Сдвигоустойчивость..................................170
  5.3.2. Износостойкость.....................................179
  5.3.3. Усталостная трещиностойкость........................182
  5.3.4. Низкотемпературная трещиностойкость.................184
  5.4. Водо-морозостойкость..................................187
  5.5. Устойчивость к старению...............................189
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................193
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................196

4

    ВВЕДЕНИЕ


    Наибольшее распространение в дорожном строительстве получили асфальтобетонные покрытия, как удобные для движения транспортных средств и пассажиров. Асфальтобетонные смеси являются высокотехнологичными при строительстве и ремонте дорог, а асфальтобетон в полной мере отвечает современным требованиям по обеспечению скоростного и безопасного движения автомобилей. Однако под воздействием автомобильного транспорта и климатических факторов происходит постепенное накопление дефектов в дорожных конструкциях, что приводит к ухудшению ровности покрытий, увеличению капитальных затрат на ремонт и содержание автомобильных дорог, снижению эффективности транспортных перевозок и безопасности автомобильного движения.
    Основной причиной преждевременного разрушения покрытий является несоответствие структуры применяемого асфальтобетона условиям его эксплуатации. Условия работы асфальтобетона в дорожных конструкциях в последние годы существенно изменились. Значительно выросли осевые нагрузки, интенсивность движения и давление в шинах автомобилей, что привело к увеличению напряжений и деформаций в покрытиях. В результате этого традиционные эмпирические критерии работоспособности асфальтобетона перестают удовлетворять дорожников. Поэтому наблюдается общемировая тенденция перехода от условных методов испытаний асфальтобетона к методам оценки эксплуатационных свойств, которые в большей степени приближены к реальным условиям. В большинстве развитых стран разрабатываются и совершенствуются методы функционального проектирования составов асфальтобетонных смесей для автомобильных дорог с высокой интенсивностью движения, позволяющие изменять структуру асфальтобетона в направлении более длительного сопротивления внешним воздействиям.
    Как известно, асфальтобетон состоит из трех основных частей: минеральной части, битумного вяжущего и воздушных пор. От объемного содержания и структуры каждой составляющей зависит качество асфальтобетона. Зерновой состав минеральной части влияет на технологические свойства асфальтобетонной смеси и определяет структуру минерального остова, воспринимающего сдвиговые нагрузки от транспорта. Битумное вяжущее склеивает минеральные зерна в монолит, обуславливая реологические свойства и трещиностойкость асфальтобетона в заданных условиях эксплуатации. Воздушные поры также имеют большое значение. При увеличении пористости асфальтобетона снижается его водо-морозостойкость и быстрее стареет битумное вяжущее. При низкой остаточной пористости и повышении температуры происходит раздвижка минерального остова битумными пленками, что приводит к снижению сдвиго-устойчивости покрытий.
    Ответственной задачей в технологии производства асфальтобетонных смесей является подбор составов, обеспечивающих требуемые свойства асфальтобетона. При подборе оптимальных составов следует помнить, что улучшение одного качества материала, как правило, приводит к ухудшению другого. Поэтому поиск

5

баланса между сдвигоустойчивостью и трещиностойкостью присутствует практически во всех методах проектирования составов асфальтобетонных смесей.
    В основу стандартных методов проектирования состава асфальтобетона положен анализ объемного содержания компонентов, при этом нормы пористости минерального остова и остаточной пористости назначаются в зависимости от регламентируемого метода уплотнения образцов и области применения проектируемой смеси. При этом оптимальное объемное содержание битумного вяжущего оценивается как разность пористости минерального остова и остаточной пористости.
    Однако недостаточно использовать только объемные характеристики асфальтобетона при подборе оптимальных составов смесей, особенно для дорог с тяжелыми условиями движения. При функциональном проектировании определяют также механические свойства асфальтобетона, характеризующие его работоспособность в покрытии. Крайне важно, чтобы свойства асфальтобетона соответствовали условиям его эксплуатации в конструктивных слоях дорожных одежд по температуре, режиму нагружения, напряженно-деформированному состоянию и воздействию агрессивных сред. К сожалению, этому принципиальному вопросу уделяется мало внимания. Так в большинстве применяемых методов подбора составов смесей механическими критериями служат лабораторные показатели асфальтобетона, позволяющие лишь приближенно судить о поведении материала при высоких летних температурах, тогда как низкотемпературные свойства, износостойкость и другие критерии работоспособности асфальтобетона в дорожных конструкциях не учитываются.
    К недостаткам, присущим современным методам подбора составов асфальтобетона, относится слабый учет особенностей технологического процесса приготовления смесей. Это приводит к почти неизбежным производственным коррективам, а иногда и существенным изменениям подобранного в лаборатории состава асфальтобетонной смеси [1]. Кроме того, не получило должного развития перспективное направление проектирования, включающее целенаправленный учет и оптимизацию составов асфальтобетонных смесей по их технологическим признакам. Указанное направление особенно актуально при неблагоприятных погодных условиях производства работ, а также в тех случаях, когда используется недостаточно эффективная дорожно-строительная техника.

6

    1. ИСТОРИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВОВ АСФАЛЬТОБЕТОНА

    В промышленном масштабе асфальтобетон применяют с начала прошлого века. Поэтому вопросы, связанные с разработкой рецептур асфальтобетонных смесей, имеют давнюю историю, как в нашей стране, так и за рубежом. Во времена СССР были разработаны несколько методов проектирования составов асфальтобетона:
    -      проектирование смеси по асфальтовому вяжущему веществу (метод проф. П. В. Сахарова);
    -      метод Московского Ушосдора, разработанный в 1931 г. А. В. Окниным и Б. А. Козловским по результатам подбора состава растворной части;
    -      метод проф. Н.Н. Иванова, основанный на подборе минеральной смеси с оптимальной плотностью;
    -      ускоренный метод СоюзДорНИИ, предложенный канд. техн. наук А. И. Лы-сихиной и Ц. Г. Ханиной;
    -     метод проф. И. А. Рыбьева, направленный на предвидение свойств материала.
    За рубежом разработаны следующие методы проектирования смесей:
    -      по сдвигоустойчивости образцов с учетом объема воздушных пор при минимальном количестве битума (метод Хаббарда - Филда);
    -      по максимальным прочностным показателям лабораторных образцов, испытываемых на приборах Хвима, Смита и др.;
    -      по удельной поверхности и модулю насыщенности смеси вяжущим веществом (метод М. Дюрье);
    -      метод Маршалла по результатам уплотнения образцов и их испытаний на соответствующем оборудовании;
    -      метод «Суперпейв», представленный в России как объемно-функциональное проектирование составов асфальтобетона.
    Каждый из перечисленных методов имеет свои специфические особенности, достоинства и недостатки. Их авторы исходили из определенных теоретических предпосылок, отражающих в той или иной степени структуру материала, используя при этом различные методы испытаний. При всем многообразии методов испытаний цель и задачи проектирования асфальтобетонных смесей и асфальтобетона неизменны и направлены на обеспечение эксплуатационных свойств устраиваемых покрытий, качественные признаки которых были сформулированы еще в начале прошлого века [2]. При этом срок службы определяются не только составом, но и условиями эксплуатации асфальтобетона в конструкции.

    1.1. Метод проф. П. В. Сахарова

    В 1909 году П. В. Сахаров предложил проектировать состав асфальтобетона по предварительно подобранному составу асфальтового вяжущего вещества (битум + минеральный порошок). Количественное соотношение битума и минерального порошка в асфальтовом вяжущем веществе он подбирал экспериментально в зависимости от пластической деформации и предела прочности на растяжение лабораторных образцов.

7

    Предельная пластическая деформация асфальтового вяжущего вещества замерялась методом водоупорности на приборе Гарри-Бухардца, Тетмайера и др. при статическом давлении воды в 2-3 атм. Величина пластической деформации ограничивалась пределами не более 10-20 мм при температуре +15 °C. Предел прочности на растяжение замерялся с помощью динамометра при испытании образцов-восьмерок. Он должен быть не ниже 10 кг/см² при температуре +15 °C.
    Примечательно, что проф. П. В. Сахаров учитывал термоустойчивость асфальтового вяжущего вещества в результате сопоставления показателей прочности при температурах +30 °C, +15 °C и 0 °C, тогда как во многих зарубежных в том числе современных методах подбора составов асфальтобетона этому вопросу не уделяется должное внимание.
    В полном объеме процесс проектирования состава асфальтобетона методом проф. П. В. Cахарова состоял из 4-х стадий:
    -  проектирование состава асфальтового вяжущего вещества;
    -  проектирование состава асфальтового раствора;
    -  подбор щебеночного или гравийного остова;
    -  поверочные опыты с материалом.
    При подборе состава минеральной части предполагалось применять плотные смеси из песка и щебня. В связи с этим П. В. Cахаров отмечал, что положительные результаты с точки зрения увеличения плотности смеси достигаются только при ступенчатом (прерывистом) подборе отгрохоченных фракций минерального материала. Если же соотношение размеров смешиваемых фракций меньше, чем 1 : 2 или 1 : 3, то мелкие частицы не заполняют промежуток между крупными зернами, а раздвигают их [3].
    По результатам испытаний образцов асфальтового вяжущего вещества было рекомендовано придерживаться величин отношения содержаний битума к минеральному порошку (Б/МП) в пределах от 0,5 до 0,2 по массе. При таком соотношении Б/МП бинарные смеси содержат повышенное количество минерального порошка, что приводит к высоким значениям показателей прочности и жесткости битумоминеральных материалов.

    1.2. Метод СоюзДорНИИ

    Данный метод подбора оптимальных составов асфальтобетонных смесей ориентирован на действующие в России межгосударственные стандарты в области асфальтобетона. Первоначально он объединил метод Московского Ушосдора, графоаналитический способ подбора минеральной части по предельным кривым плотных смесей Н. Н. Иванова, а также учитывал предложения А. И. Лысихиной, Ц. Г. Ханиной и других исследователей.
    Принципиальной основой метода CоюзДорНИИ является положение о том, что прочность и деформативность асфальтобетона обусловливаются его структурой и обеспечиваются минеральным остовом требуемой плотности и оптимальным количеством битума. Отруктура асфальтобетона зависит как от содержания и качества компонент, так и от технологии приготовления смеси.

8

    Проектирование состава смеси методом СоюзДорНИИ производится в следующей последовательности:
    -      выбор и испытание исходных материалов на соответствие требованиям стандартов;
    -      подбор весовых соотношений минеральных материалов (щебня, песка и минерального порошка) в зависимости от их зернового состава и заданных требований к гранулометрии минеральной части смеси;
    -      определение оптимального количества битума для подобранного состава минеральной смеси;
    -      изготовление и испытание контрольных образцов асфальтобетона на соответствие требованиям стандарта.
    Исходные материалы для подбора смеси выбирают в зависимости от типа асфальтобетона и области его применения согласно техническому заданию. Как правило, в составах смесей рекомендуется использовать местные проверенные материалы, позволяющие снизить стоимость строительства.
    Подбор составов минеральной части асфальтобетонных смесей производится на основании предельных кривых их гранулометрии [4]. Для каждого типа асфальтобетона в межгосударственных стандартах регламентированы области зерновых составов, причем в достаточно узких пределах. Смесь щебня, песка и минерального порошка подбирают таким образом, чтобы кривая зернового состава расположилась в зоне, ограниченной предельными кривыми, и была по возможности плавной. Фракционный состав минеральной смеси рассчитывается в зависимости от содержания выбранных компонентов и их зерновых составов по следующей зависимости:

                                          у _ ^J-1 ajxij 1 i
¹      100

(1)

где Yj - содержание i-й фракции в смеси;
    i - номер компоненты;
    n - количество компонент в смеси;
    Oj - содержание j-й компоненты;
    Xjj - содержание i-й фракции в j-й компоненте.
    При подборе зернового состава, особенно с использованием песка из отсевов дробления, необходимо учитывать содержащиеся в минеральном материале зерна мельче 0,071 мм, которые при нагреве в сушильном барабане частично выдуваются и оседают на фильтрах системы пылеулавливания. Улавливаемые пылевидные частицы могут либо удаляться, либо дозироваться в смеситель взамен части стандартного минерального порошка. Порядок использования пыли улавливания оговаривается в технологическом регламенте на приготовление асфальтобетонных смесей с учетом качества минеральных материалов и особенностей асфальтосмесительной установки.
     Предварительно содержание битума назначается с помощью расчетных формул или по рекомендациям, установленным опытным путем для каждого


9

типа асфальтобетонной смеси. После этого в лабораторной мешалке приготовляют асфальтобетонную смесь и формуют из нее 2-3 цилиндрических образца статическим или комбинированным способом уплотнения в соответствии с ГОСТ 12801. Диаметр и высота образцов назначаются в зависимости от крупности минеральных зерен в смеси: 50,5; 71,4; и 101 мм. Типичное оборудование для уплотнения образцов асфальтобетона стандартных размеров показано на рисунке 1.


Рис. 1. Оборудование для уплотнения асфальтобетонного образца по ГОСТ 12801 (слева изображена виброплощадка и облегченная форма, справа - гидравлический пресс)

     Метод уплотнения образцов выбирают в зависимости от содержания щебня в асфальтобетонной смеси. При содержании щебня меньше 50 % смесь уплотняют на гидравлическом прессе в цилиндрической форме статической нагрузкой 40 МПа в течение 3 минут. При содержании щебня более 50 % применяют комбинированный метод с предварительным уплотнением смеси вибрированием на оборудовании, показанным слева. Затем образец в форме дополнительно уплотняют на прессе статической нагрузкой 20 МПа, как показано на рис. 1 справа.
     Сформованные образцы и неуплотненная смесь испытываются в соответствии с ГОСТ 12801 с целью определения средней и истинной плотности асфальтобетона и минеральной части. По их значениям рассчитывают остаточную пористость и пористость минерального остова. Если остаточная пористость не соответствует нормируемому значению, то определяют новое расчетное количество битума (Б, % по массе) по следующей зависимости:


10

п   (ЦГор-ипоор)р⁶
Б ---------
Рт

(2)

где VI|'₍₎ₚ - пористость минерального остова, %;
    Vₙoₒₚ - требуемая остаточная пористость асфальтобетона, %;
    рб - истинная плотность битума, г/см³;
    Pm - средняя плотность минеральной части, г/см³.
    С рассчитанным количеством битума вновь готовят смесь, формуют из нее образцы и снова определяют остаточную пористость. Если она будет соответствовать требуемой, то принятое количество битума принимается за основу. В противном случае процедуру подбора содержания битума следует повторить.
    Из асфальтобетонной смеси с последним содержанием битума формуют серию образцов и определяют полный комплекс показателей физико-механических свойств, предусмотренный межгосударственным стандартом. К нормируемым показателям относятся пределы прочности образцов при сжатии при температурах +50 °С, +20 °С и 0 °С, коэффициенты водостойкости, а также показатели сдвиго-устойчивости и трещиностойкости асфальтобетона. Методы механических испытаний стандартных образцов асфальтобетона изложены в ГОСТ 12801. Если по каким-либо показателям асфальтобетон не будет отвечать требованиям, то запроектированный состав смеси следует изменить с учетом рекомендаций.
    При недостатке битума, как и при его избытке, прочность асфальтобетона снижается. С увеличением количества битума водоустойчивость повышается в связи с более полным обволакиванием каменных материалов битумной пленкой и заполнением пор, однако теплоустойчивость при этом понижается [5]. В большинстве случаев требуемая прочность асфальтобетона и другие показатели свойств обеспечиваются оптимальным содержанием минерального порошка и битума. В противном случае изменяют качество составляющих материалов.
    При низких показателях прочности при 50 °С следует увеличивать (в допустимых пределах) содержание минерального порошка или применять более вязкий битум. При высоких значениях прочности при 0 °С рекомендуется снижать содержание минерального порошка, уменьшать вязкость битума, применять полимерно-битумные вяжущие по ГОСТ Р 52056 или использовать пластифицирующие добавки. Для повышения водостойкости рекомендуется увеличивать содержание минерального порошка либо битума, но в пределах, обеспечивающих требуемые значения остаточной пористости и пористости минеральной части. Эффективно также вводить в смесь поверхностно-активные вещества (ПАВ), активаторы, и активированные минеральные порошки.
    Подбор состава асфальтобетонной смеси считают завершенным, если все показатели физико-механических свойств, полученные при испытании образцов, будут отвечать требованиям межгосударственного стандарта. Тем не менее, в рамках стандартных требований возможна оптимизация состава в направлении повышения эксплуатационных свойств и долговечности устраиваемого конструктивного слоя дорожной одежды. Например, более полное представление о

11

качестве асфальтобетона дают зависимости физико-механических свойств от содержания вяжущего. Для уточнения содержания битума рекомендуется приготовить несколько смесей, среди которых будут и смеси с установленным количеством битума [6].
    Метод СоюзДорНИИ получил дальнейшее развитие в результате ввода в ГОСТ 12801 дополнительных испытаний стандартных образцов при скорости деформирования 50 мм/мин и последующего нормирования техническими условиями показателей сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетона. На рисунке 2 показаны испытания образцов на сдвигоустойчивость при температуре 50 °С и скорости деформирования 50 мм/мин при двух схемах деформирования. В результате определяются коэффициент внутреннего трения и сцепление при сдвиге, обеспечивающие раздельную оценку упругого сопротивления минерального остова и вязкого сопротивления (когезии) асфальтового вяжущего.



Рис. 2. Испытания стандартных образцов асфальтобетона на сдвигоустойчивость по ГОСТ 12801

    Исследования показали, что при низком коэффициенте внутреннего трения следует увеличивать содержание крупных фракций щебня и (или) применять дробленые пески вместо природных. При малых величинах показателя сцепления при сдвиге, как и прочности при сжатии при температуре 50 °С, следует применять более вязкие сорта битумного вяжущего или увеличивать в допустимых пределах содержание минерального порошка.
    Исходя из результатов механических испытаний образцов на одноосное сжатие при двух скоростях деформирования (3 и 50 мм/мин) легко вычисляется коэффициент пластичности асфальтобетона по Н.Н. Иванову. Как и коэффициент теплостойкости R20/R50, он зависит в основном от структурного типа битумного вяжущего. Эти два коэффициента отражают влияние реологических свойств асфальтового вяжущего вещества на сдвигоустойчивость асфальтобетона в покрытии. Зная полный комплекс стандартных показателей прочности при сжатии, легко запроектировать оптимальные асфальтобетонные смеси для конкретно заданных климатических и транспортных условий эксплуатации дорожных и аэродромных покрытий, проверяя их на сдвигоустойчивость по стандарту организации СТО-ГК «Трансстрой» 007-2007.


12