к. т. н. Чернов С.А., к. т. н. Чирва Д.В., аспирант Леконцев Е.В.

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ПРОЦЕССЫ КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЯ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

В последние 10 – 12 лет на автомагистралях крупных городов Российской Федерации с высокой интенсивностью движения транспорта все чаще стала появляться колея в крайних левых полосах покрытия, где в основном двигаются только скоростные легковые автомобили, в том числе с шипованными колесами в зимнее время. Такая колейность крайне нежелательна с точки зрения безопасности дорожного движения, и борьба с этим дефектом покрытия превратилась в очень серьезную проблему для дорожной отрасли не только России, но и большинства стран Европы.

Второй серьезной причиной появления колеи на покрытиях российских автомобильных дорог является слабость их конструкций из-за возрастающих осевых нагрузок автомобилей и интенсивностям их движения. Такую колею можно обнаружить чаще всего по полосам перемещения тяжелого грузового транспорта, хотя она возможна и на других полосах движения как часть общей колеи, возникающей также вследствие абразивного износа покрытия, пластических сдвигов и иных деформаций самого асфальтобетона.

Дорожные специалисты и ученые, разрабатывавшие в свое время теоретические и практические основы методики и инструкции по расчету, проектированию и конструированию нежестких дорожных одежд, полагали или предполагали, что земляное полотно, дорожное основание и покрытие будут работать только в упругой стадии без накопления пластических (остаточных) деформаций. Однако все слои и материалы дорожной конструкции фактически «отказались» от своей упругой участи и в реальной действительности ведут себя, в большинстве случаев, как упруго-вязко-пластические материалы и среды, постепенно накапливая остаточные деформации по законам циклической ползучести, что в итоге и оборачивается локальными неровностями покрытий, а по полосам наката — появлением колеи. Кстати, ведь даже у металла есть предел усталостной выносливости, и он тоже с течением времени накапливает пластические деформации.

Немалая доля остаточных деформаций накапливается непосредственно в верхних слоях асфальтобетонных покрытий и, поскольку, асфальтобетон является наиболее широко применяемым материалом при устройстве покрытий автомобильных дорог, изучению его свойств и поведения при воздействии реальных динамических нагрузок и температурных факторов необходимо уделять большое внимание. По этой причине ведется длительная исследовательская и практическая работа по поиску наиболее колееустойчивых типов и составов асфальтобетонных смесей, в том числе на разных вяжущих материалах.

Асфальтобетон представляет собой один из наиболее сложных строительных материалов. Эта сложность обусловлена, главным образом, особенностями его структуры, а также большой зависимостью свойств от многообразных факторов. Помимо температуры на свойства асфальтобетона большое влияние оказывают гранулометрический состав смеси, тип, сорт и качество битумного или иного вяжущего, качество уплотнения асфальтобетона в покрытии и т. д.

Если сегодня довериться огромному количеству экспериментальных данных, полученных при испытаниях разных гранулометрических типов асфальтобетонов на колееустойчивость, то своё явное преимущество демонстрируют многощебенистые асфальтобетоны, которым и следует всегда отдавать предпочтение в практическом плане. Чем больше щебня в составе асфальтобетона, тем выше его колееустойчивость и сдвигоустойчивость.

Немецкие разработчики грансостава ЩМА вряд ли могли предположить несколько десятков лет назад, что их детище получит такое распространение в мировой практике XXI века и всеобщую дорожную славу. В России изначально ЩМА воспринимали как специальный асфальтобетонный материал, который предназначен в отдельных случаях устройства верхних слоев покрытия главным образом для борьбы с колейностью [1].

Но по мере накопления опыта применения ЩМА на российских объектах отношение к нему становилось все более позитивным [2.3]. И сегодня многие дорожные специалисты считают его уже рядовым асфальтобетонным материалом с набором прекрасных показателей свойств и качеств, обеспечиваемых повышенным содержанием щебня и битума.

Однако, возможность образования на покрытии пластической колеи, во многом определяется не только гранулометрическим составом его минеральных материалов, но и битумным вяжущим, входящим неотъемлемой частью в полный состав асфальтобетона. Как правило, качество выпускаемых нефтеперерабатывающими заводами нефтяных дорожных вязких битумов не гарантирует их надежную работу в асфальтобетонных смесях и не отвечает современным требованиям строительства и эксплуатации дорог в России. По этой причине, для повышения прочностных, реологических и пластических свойств асфальтобетона вместо вязкого дорожного битума целесообразней использовать полимерно-битумное вяжущее (ПБВ).

Основная цель введения полимера в битум – это понижение температурной чувствительности вяжущего, т.е. увеличение его жесткости летом и уменьшение зимой. Не менее важно, что при введении полимера в битум вяжущее приобретает эластичность – способность к восстановлению первоначальных размеров и формы после снятия нагрузки. Если эти цели достигнуты, то дорожно-строительный материал на основе ПБВ будет обладать повышенной устойчивостью против образования остаточных деформаций (колеи) летом, поперечных температурных трещин зимой и усталостной трещиностойкостью (выносливостью) при повторном изгибе [4,5].

За счет применения ПБВ в США и Канаде доля дорог в хорошем состоянии возросла с 40 – 43 до 75 – 80 %. Дорожники Австрии и Германии экспериментально зафиксировали сохранение основных прочностных и эксплуатационных качеств некоторых покрытий на ПБВ даже через 15 лет после их устройства. Особенно большой эксплуатационный эффект показывают асфальтобетоны на ПБВ в покрытиях тяжело и интенсивно нагруженных дорог типа автобанов. И неудивительно, что государственные органы стандартов стран Евросоюза обязали своих дорожников использовать ПБВ при устройстве на таких трассах как верхних, так и нижних слоев покрытий.

В настоящее время государственная компания «Российские автомобильные дороги» на объектах федеральных дорог, находящихся в ее подчинении, широко применяет асфальтобетонные смеси, содержащие в своем составе полимерно-битумные вяжущие или различного рода полимерные добавки [6,7].

В научно-исследовательской лаборатории был проведен анализ влияния различного рода полимерно-битумных вяжущих и полимерных добавок на физико-механические свойства горячих асфальтобетонных смесей (таблица 1 и 2).

Исходя из анализа полученных результатов можно сделать вывод о положительном влиянии полимерных добавок и полимерно-битумных вяжущих на физико-механические свойства щебенистых асфальтобетонных смесей. При этом повышается предел прочности при температуре 20 и 50 ⁰С в среднем на 25-35 %, увеличивается коэффициент водостойкости и ряд других показателей.

ТАБЛИЦА 1 - ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ«ЩМА-15», СОДЕРЖАЩИХ В СВОЕМ СОСТАВЕ РАЗЛИЧНОГО РОДА СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ И ПОЛИМЕРНЫЕ ДОБАВКИ

ТАБЛИЦА 2 - ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГОРЯЧИХ ПЛОТНЫХ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ, ТИПА А, I МАРКИ, СОДЕРЖАЩИХ В СВОЕМ СОСТАВЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ДОБАВКИ

Для более детального изучения воздействия полимеров на щебенистые асфальтобетонные смеси были проведены исследования их влияния на процесс накопления остаточных деформаций в различных типах асфальтобетонов, результаты которых представлены на рисунках 1-6. Испытания проводились на специально разработанном лабораторном оборудовании под воздействием циклических нагрузок величиной 0,65 МПа с частотой приложения 15 Гц при температуре 60 °C. Количество приложений нагрузки в каждом из экспериментов составило порядка 700000.

Рисунок 1. График накопления остаточных деформаций в образце горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа А, I марки

Рисунок 2. График накопления остаточных деформаций в образце горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа А, I марки с добавкой РТЭП

Рисунок 3. График накопления остаточных деформаций в образце горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа А, I марки с добавкой Унирем

Рисунок 4. График накопления остаточных деформаций в образце щебеночно-мастичного асфальтобетона с добавкой Viatop

Рисунок 5. График накопления остаточных деформаций в образце щебеночно-мастичного асфальтобетона с добавкой РТЭП

Рисунок 6. График накопления остаточных деформаций в образце щебеночно-мастичного асфальтобетона с добавкой РТЭП+Форте

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

• применение ПБВ или полимерных модификаторов в составе щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, применяемых при устройстве верхних слоев покрытия, позволяет уменьшить глубину колеи в среднем в 1,5-1,6 раза по сравнению с асфальтобетоном на рядовом битуме (без ПБВ);
• в случае применения полимерных модификаторов в составе асфальтобетонов типа А их влияние на колееустойчивость еще более заметно (рис. 1-3) – величина остаточных деформаций уменьшается, в некоторых случаях, в 2,5 раза;
• кроме всего прочего, применение ПБВ или полимерных добавок  в асфальтобетонных слоях дорожных конструкций, позволяет увеличить интервал их работоспособности, за счет повышения деформативной жесткости летом и усталостной выносливости при отрицательных температурах.

Подводя итог необходимо отметить, что применение полимерных добавок или вяжущих в составе асфальтобетонных смесей, позволяет уменьшить образование дефектов на покрытии и продлить срок «жизненного цикла» асфальтобетонных слоев. Однако, пока не будут повышены требования к исходным дорожно-строительным материалам, применяемым вяжущим и получаемым асфальтобетонам, учитывая не только действующие нормативные документы, но и зарубежный опыт, существенных улучшений ожидать не стоит. Для увеличения срока службы дорожных конструкций и улучшения качества строительства необходимо серьезно заняться разработкой новой нормативной базы на этапе проектирования дорожной конструкции, приготовления и укладки асфальтобетонных слоев, а также контроля качества.

Список литературы

1. Методические рекомендации по устройству верхних слоев дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) / ФГУП «Союздорнии». – М., 2002. – 36 с.
2. Арутюнов В., Кирюхин Г., Юмашев В. Первый опыт строительства покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона в России//Дороги РоссииXXI века. – 2002. – № 3. – С. 58-61.
3. Райнхольд Дитер. Щебеночно-мастичный асфальт // Автомоб. дороги. – 2002. – № 3. – С. 80.
4. Бонченко Г.А. Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером. –М. Машиностроение, 1994. -176 с.
5. Ковалев Я.Н. Капсулирование битума химически совместимой полимерной добавкой, свойства модифицированного вяжущего и асфальтобетона на его основе / Я.Н. Ковалев, В.Н. Романюк // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2007. – №1. – С. 29 – 31.
6. Дополнительные требования к минеральным материалам и асфальтобетонным смесям, применяемым при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог Государственной компании «Автодор» – Утв. Распоряжением Государственной компании «Автодор» 22.12.2011 – № ИУ-69-р – 2 с.

Всемирная дорожная ассоциация. Технический комитет «Нежесткие дороги» (С8). Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительстве / Пер. с франц. д.т.н. В.А. Золотарева, инж. Л.А. Беспаловой; Под общей ред. д.т.н. В.А. Золотарева, д.т.н. В.И. Братчуна. – Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2003. – 229 с.