Требования и испытания битумных вяжущих типа SUPERPAVE

Первая часть статьи — Технология Superpave: объемно-функциональное проектирование асфальтобетона в России

Современные физические испытания битумного вяжущего и технические условия имеют ряд недостатков, описанные ниже.

1. Испытания на пенетрацию и растяжимость являются эмпирическими и не имеют непосредственного отношения к эксплуатационным характеристикам асфальтобетонного покрытия из горячих асфальтобетонных смесей.
2. Испытания проводятся в стандартных условиях, но при этом не учитываются климатические условия в районе строительства и географическое местоположение.
3. Не рассматривается долговременное старение битумных вяжущих в процессе эксплуатации.
4. Современные испытания и технические требования для битумных вяжущих были разработаны опытным путем. Они не применимы к модифицированным битумным вяжущим.

Испытания и спецификация вяжущих веществ по SUPERPAVE имеет следующие важные особенности.

1. Испытания и технические требования предназначаются для битумных вяжущих, которые включают как модифицированные, так и не модифицированные битумы.
2. Установленные критерии остаются постоянными, но температура, при которой был определен критерий, должна изменяться с учетом марки вяжущего, выбранного исходя из преобладающих климатических условий.
3. Физические свойства, определенные при помощи вяжущих SUPERPAVE, напрямую связаны с эксплуатационными характеристиками.
4. Анализируется полный диапазон температур, прогнозируемый на строительной площадке.
5. Испытания и технические требования, разработанные с целью исключить или управлять тремя видами разрушений дорожного покрытия из асфальтобетона: колееобразование, усталостное и температурное трещинообразование. Стоит отметить, что колееобразование обычно появляется при высоких температурах, усталостное трещинообразование – при средних, и температурное трещинообразование – при низких.

В таблице 1 приводится испытательное оборудование для битумного вяжущего SUPERPAVE и цели исследования. Стоит признать, что свойства горячей асфальтобетонной смеси и структура дорожного покрытия в значительной степени влияют на эксплуатационные качества горячей асфальтобетонной смеси в дополнение к эксплуатационным качествам битумного вяжущего.

Таблица 1 – «Испытательное оборудование для битумного вяжущего SUPERPAVE и цели исследования»

Испытание в печи прокатки тонких пленок (RTFO). Метод RTFO моделирует процесс старения битумного вяжущего, развивающийся во время изготовления и укладки дорожного покрытия из горячей асфальтобетонной смеси.

С помощью метода RTFO можно получить состаренный вяжущий материал, который затем испытывается при помощи реометра динамического сдвига (DSR), а также определить массу летучих компонентов, испаряющихся из вяжущего материала, во время испытания. Количество выделившихся летучих компонентов указывает на степень старения, которая возникает во время изготовления и укладки горячей асфальтобетонной смеси. Некоторые битумные вяжущие скорее набирают вес, а не теряют его, во время старения в печи прокатки тонких пленок из-за того, что в ходе испытания образуются продукты окисления.

Сосуд высокого давления для старения (PAV). На протяжении многих лет методика старения под давлением применялась при исследовании битумов и для старения изделий из каучука. Старение битумных вяжущих под давлением имеет следующие преимущества:

• ограниченная потеря летучих компонентов;
• процессы окисления ускоряются без повышения температуры;
• за один раз можно состарить битумное вяжущее в количестве достаточном для последующего испытания;
• метод имеет практическое значение для типовых лабораторных исследований.

Сосуд высокого давления для старения был разработан с целью смоделировать старение битумного вяжущего, которое развивается в течение 5-10 лет на эксплуатируемом дорожном покрытии из горячей асфальтобетонной смеси. Поскольку битумное вяжущее в покрытии подвергается кратковременному старению в период изготовления и укладки горячей асфальтобетонной смеси, то PAV используется для состаривания RFTO остатка.

Ротационный вискозиметр (RV). Ротационный вискозиметр используется при исследовании материалов SUPERPAVE для определения вязкости вещества при высоких температурах укладки (более 100°C), с целью удостовериться в том, что вяжущий материал обладает текучестью, достаточной для перекачивания и смешивания.

Реометр динамического сдвига (DSR). Реометр динамического сдвига применяется для определения вязкоупругого поведения битумных вяжущих при высоких и средних рабочих температурах.

Принцип работы DSR простой. Как показано на рисунке 1 образец битумного вяжущего помещают между фиксированной и вибрирующей пластинами. При помощи крутящего момента вибрирующую пластину смещают из точки А в точку В. Из точки В пластина движется назад и доходит до точки С, минуя точку А. Из точки С она возвращается в точку А. это перемещение и составляет один цикл колебаний. Если в одну секунду проходят два цикла колебаний, то частота колебаний составит 2 цикла в секунду или 2 Гц. Частоту колебаний также можно выразить в виде расстояния по окружности (радианы), преодолеваемого вибрирующей пластиной за одну секунду. Все DSR испытания материалов SUPERPAVE проводятся с показателем частоты 10 радиан в секунду, что эквивалентно 1,59 Гц.

Существует два типа реометров колебательного сдвига: с постоянным напряжением и с постоянной деформацией. В реометрах постоянного напряжения крутящий момент используется для того, чтобы вызвать вибрацию верхней пластины или шпинделя, поэтому деформация может быть разной. В реометрах постоянного напряжения пластина перемещается на фиксированное расстояние из точки А в точку В и таким образом определяется крутящий момент необходимый для того, чтобы начать движение. Испытания на вяжущих SUPERPAVE проводятся при постоянном режиме напряжения.

В спецификации SUPERPAVE реометр DSR используется для того, чтобы определить свойства битумного вяжущего при высокой и умеренной рабочей температуре. Фактические значения экспериментальных температур определяются на основании прогнозируемых эксплуатационных температур для битумного вяжущего.

Параметр колееобразования. Повышенная упругость делает битумное вяжущее более устойчивым к остаточной деформации. Контроль колееобразования при высокой температуре проводится на образцах исходного и состаренного методом RTFO материала. Образцы, состаренные по методу RTFO, представляют битумное вяжущее на ранних стадиях эксплуатации, непосредственно после укладки, но до того, как начнется процесс долговременного окислительного старения. Поскольку в процессе долговременного окислительного старения увеличивается жесткость битумного вяжущего и соответственно устойчивость к колееобразованию. Поэтому, испытания битумного вяжущего, проводимые до начала долговременного окислительного старения, являются определяющим в отношении склонности к колееобразованию.

Коэффициент усталости. Чтобы определить коэффициент сопротивления усталостному растрескиванию для составления спецификации, усталостное растрескивание рассматривали как явление, обусловленное напряжением. Усталостное растрескивание обычно рассматривается, как явление, обусловленное напряжением, возникающим в толстом асфальтобетонном слое дорожного покрытия, и, как явление, обусловленное деформацией в тонком асфальтобетонном слое дорожного покрытия. Исследователи SHRP предложили рассматривать этот процесс как явление, обусловленное преимущественно деформацией. Математически, работа, рассеиваемая за цикл нагрузки при постоянной деформации, может быть выражена следующим образом:

Wc = π ×Î₀² [G* x sin δ]

где Î – это деформация, Wc – работа, рассеиваемая за цикл нагрузки, G* – комплексный модуль, δ – фазовый угол. Это уравнение показывает, что чем выше G* и/или δ, тем больше работы рассеивается за один цикл нагрузки. Если G* уменьшается, то битумное вяжущее становится менее жестким и, следовательно, способным к деформации без большого напряжения. Кроме того, битумные вяжущие с низкими значениями δ будут более упругими и, поэтому, смогут вернуться в исходное состояние, без рассеивающей работы. Рассеивание работы может происходить разными способами: путем теплоотдачи, пластической деформации, растрескивания и развития трещин. Все они приводят к разрушению дорожного покрытия. Чем меньше энергии рассеивается за один цикл, тем меньше вероятность появления усталостного растрескивания или других явлений, разрушающих дорожную одежду. Параметр G* sin δ был выбран для спецификации SUPERPAVE, с целью установить предельное значение общего количества рассеиваемой энергии, и таким образом, минимизировать усталостное растрескивание. Чтобы определить способность битумного вяжущего сопротивляться усталостному растрескиванию, образцы, состаренные в сосуде высокого давления, испытываются при помощи реометра DSR. По мере старения битумного вяжущего в ходе эксплуатации вещество становится жестче и следовательно более подверженным усталостному растрескиванию. Поэтому образцы, состаренные в сосуде высокого давления, используются для испытаний материала, при моделировании критических условий эксплуатации.

Реометр для испытаний на изгиб (BBR). С помощью BBR испытывают битумные вяжущие при низких рабочих температурах дорожного покрытия для оценки склонности материала к термическому растрескиванию. Термическое растрескивание дорожных покрытий из горячей асфальтобетонной смеси происходит при быстром падении температуры до низких значений. По мере того, как дорожное покрытие уплотняется, внутри асфальтобетонных слоев возникает напряжение. Если уплотнение происходит очень быстро, то напряжения нарастают и, в конце концов, перекрывают способность дорожного покрытия к релаксации напряжений. Если это происходит, то в дорожном покрытии образуются трещины, поскольку дорожное покрытие стремится снять напряжение. Вызвать термическое растрескивание может одиночный тепловой цикл, при котором достигается критическое значение температуры, или циклическое изменение температуры, когда она поднимается и опускается, но всегда выходит за пределы критических значений. Растрескивание, которое развивается как следствие одиночного теплового цикла, связано с изменением жесткости битумного вяжущего при температуре, при которой происходит растрескивание. Эта температура именуется предельной температура жесткости. Предельная температура жесткости определяется как рабочая температура дорожного покрытия, при которой определенное значение жесткости достигается после расчетного времени нагрузки.

Принцип работы реометр BBR основывается на изменении сдвигоустойчивости при переменной нагрузке, приложенной в режиме изгибания, чтобы нагрузить асфальтовый образец в виде балки, который выдерживают при постоянной низкой температуре. Температура поддерживается посредством жидкой ванны, заполненной смесью этиленгликоля, метанола и воды. Реометр BBR состоит из загрузочного механизма, ванны для регулирования температуры и системы сбора данных. Схема прибора показана на рисунке 2.

Балка битумного вяжущего длиной 125 мм, шириной 6,25 мм и высотой 12,5 мм, формируется посредством переливания горячего вяжущего в алюминиевые или силиконовые формы. Образцы в виде балки извлекаются из форм после их охлаждения в морозильной камере в течение 5-10 минут. После чего, до начала испытаний, балку выдерживают в течение 60±5 минут в испытательной ванне. По окончании подготовительных операций на балку опускают груз весом 100 грамм и удерживают его в течение 240 секунд. Степень деформации балки регистрируют в течение периода нагрузки. Соотношение между нагрузкой, деформацией и временем отображается в виде графика на экране компьютера. По истечении 240 секунд программа BBR выполняет все расчеты.

Автор: Максим Подгорнов, специалист по дорожному строительству