Процессы старения асфальтобетона, его долговечность. Усталостные свойства асфальтобетона. Обеспечение соответствия структуры и свойств

- воздействие  автотранспортных средств на асфальтобетон дорожной конструкции;

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

-воздействие  факторов, связанных с эксплуатацией  асфальтобетонных покрытий. 
 

      Рис.3 Основные эксплуатационные воздействия на асфальтобетонные конструктивные слои дорожной одежды 

     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 = h_n-1-h_n 

h_n- отметка поверхности покрытия при последнем измерении, м;

h_n-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/ Δh_г

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

Δh_г – 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 трещи-ностойкости 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 долго-временной 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. 
 
 
 
 
 
 

Усталостные свойства асфальтобетона 

     Усталость  - это явление снижения механической прочности в результате многократного воздействия нагрузок. Усталость асфальтобетонов описывается следующими выражениями: