сотрудник с 01.01.1996 по настоящее время
г.Тюмень, Тюменская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
г.Тюмень, Тюменская область, Россия
студент
г.Тюмень, Тюменская область, Россия
УДК 691.168 Асфальтобетон
Автомобильные дороги являются одной из важных инфраструктурных составляющих, характеризующих степень развития как отдельных регионов, так и государства в целом. В этой связи весьма актуальными становятся вопросы, связанные с обеспечением работоспособности существующих и вновь строящихся дорог. Одной из серьезных проблем при решении данной задачи является преждевременный износ верхних слоев покрытий, который формируется в основном под влиянием истирающих воздействий автомобильных шин, оснащенных шипами. Данная проблема особенно актуальна в климатических реалиях нашей страны. Анализ причин формирования колеи износа позволил установить, что важным фактором являются характеристики применяемых материалов в составе асфальтобетона. В статье представлены результаты испытаний асфальтобетонов разных типов, изготовленных с применением щебня из различных горных пород, на истираемость. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что на результат истираемости асфальтобетона оказывает влияние не только вид горной породы, из которой изготовлен щебень, но также и его крупность. Наилучшие результаты истираемости получены для асфальтобетона типа ЩМА-22, содержащего в своем составе щебень фр. 16–22,4 мм карьера «Гора Змеевая», фр. 8–16 мм, фр. 4–8 мм Баженовского месторождения, дробленого песка Чернореченского месторождения, минерального порошка марки МП-2 и модифицированного битума.
колея, абразивный износ, щебень, асфальтобетон, истираемость
Введение. Преждевременное разрушение покрытий автомобильных дорог связано в основном с увеличением доли автомобильного транспорта в общем объеме грузоперевозок и повышением нагрузок на ось автомобиля. Результатом этого является образование и накопление деформаций, появление дефектов в виде выбоин и трещин, а также образование колеи в результате абразивного износа структурных элементов асфальтобетона. Деформация покрытий автомобильных дорог связана во многом с недостаточной теплостойкостью битумного вяжущего. Она формируется под воздействием многократно повторяющего воздействия движущегося транспорта, при котором на начальном этапе возникают микродефекты покрытия, затем эти дефекты увеличиваются и в итоге покрытие приходит в состояние, недопустимое с точки зрения его безопасной эксплуатации. Для борьбы с этим видом деформации известны многочисленные методы, основным из которых является повышение деформативной устойчивости асфальтобетона путем применения в его составе полимерных добавок - модификаторов битума [1]. Другим видом деформирования покрытия является образование колеи в результате абразивного износа структурных элементов асфальтобетона под действием автомобильных шин, оснащенных шипами. Данная проблема особенно актуальна для нашей страны, большая часть которой расположена в северных широтах и при наступлении отрицательных температур и формировании снежного покрова использование шипованных шин является необходимой мерой обеспечения безопасности движения. Такие условия могут продолжаться в некоторых регионах страны до 6–8 месяцев, результатом является преждевременный износ асфальтобетона в верхних слоях дорожных покрытий [2–6]. Износ верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на дорогах с разным уровнем интенсивности движения колеблется в довольно широких пределах – от 5 до 10 и более мм в год. Действующими в РФ нормативными документами износ дорожных покрытий шипованной резиной практически не учитывается, отсутствуют методики прогнозирования данного износа, а также требования к износостойкости покрытий автомобильных дорог разных технических категорий. Проблема образования колеи особенно актуальна для проектировщиков, строителей, эксплуатирующих организаций и владельцев автомобильных дорог, которые отличаются высокой интенсивностью движения и расположенных в I или II дорожно-климатических зонах и в высокогорных районах.
Целью данной работы являлось исследование и оценка глубины колеи при абразивном износе шипованными шинами автомобилей в асфальтобетонах различных типов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) провести анализ факторов, приводящих к образованию колеи износа;
2) изучить способы предотвращения образования колеи износа;
3) оценить влияние исходных материалов и вида асфальтобетона на величину колеи износа при различных комбинациях материалов.
Группой ученых из скандинавских стран [7] были систематизированы данные по образованию колеи износа, в результате чего удалось сгруппировать факторы, влияющие на скорость и глубину образующейся колеи. К числу таких факторов можно отнести: интенсивность движения и состав транспортного потока, структуру асфальтобетона, вид применяемого вяжущего, прочность и износостойкость щебня и дробленого песка в асфальтобетоне, твердость исходной горной породы, максимальный номинальный размер крупного заполнителя и др. [8–12] На представленной диаграмме (рис. 1) наглядно показано влияние свойств исходных материалов и состава асфальтобетонной смеси на износ асфальтобетона дорожных покрытий при их эксплуатации. Как видно из приведенных данных, существенный вклад в образование колеи износа вносит характеристика применяемого щебня и битума.
Рис. 1. Влияние свойств исходных материалов и состава смеси на образование колеи в асфальтобетоне
Материалы и методика. На начальном этапе определяли скорость и глубину формирования колеи износа на асфальтобетонах различных типов, поэтому в качестве объектов исследования были выбраны горячий асфальтобетон типа А16Вт, щебеночно-мастичный асфальтобетон типов ЩМА-16 и ЩМА-22. Стойкость к образованию колеи оценивали по показателю истираемости, определение которого производили на установке УКМП-РДТ в соответствии с ГОСТ Р 58406.5. Сущность метода заключается в определении потери объема испытуемого образца диаметром (100,0 ± 2,0) мм и толщиной (30,0 ± 1,0) мм, подвергнутого истирающему воздействию стальных шаров в количестве 40 шт. при температуре (5 ± 1) °С в течение (15 ± 1) мин. Данный метод моделирует воздействие шипованной резины в зимний период на асфальтобетонное покрытие, является аналогом Праль-теста, применяемого в европейских странах для оценки износа асфальтобетона под воздействием стальных шаров в присутствии воды на поверхности образцов.
Для приготовления асфальтобетонных смесей применяли щебень Баженовского месторождения и карьера Гора Змеевая, расположенных в Свердловской области. Щебень Баженовского месторождения получают из горной породы перидотит, которая относится к группе глубинных ультраосновных пород. Условия образования и химический состав данной породы определяют ее основные свойства, которые характерны также для щебня, полученного из нее, а именно: высокая прочность на сжатие, износостойкость и морозостойкость. Щебень карьера Гора Змеевая представлен в основном горной породой габбро, для которой кроме аналогичных перидотиту свойств характерна высокая твердость и, следовательно, низкая истираемость. Поэтому было принято решение приготовить асфальтобетонные смеси с различными комбинациями применяемого щебня (таблица 1). Мелкий заполнитель во всех смесях – доломитовый дробленый песок. Минеральный порошок марки МП-2 – известняковый неактивированный. Для всех используемых материалов характерно хорошее сцепление с битумом, что не требует применения адгезионных добавок и положительно сказывается на эксплуатационных свойствах асфальтобетона. В качестве вяжущего во всех смесях был использован вязкий нефтяной битум марки БНД 100/130 АО «Газпромнефть – Омский НПЗ». Для предотвращения расслоения щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей использовали стабилизирующую добавку Стилобит. Характеристики щебня и дробленого песка приведены в таблицах 2–3.
Таблица 1
Составы асфальтобетонных смесей для оценки истираемости асфальтобетона
|
Состав №1, асфальтобетонной смеси А16Вт |
|
Щебень фр. 4-8, 8-16 мм – карьер Гора Змеевая |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Состав №2, асфальтобетонной смеси А16Вт |
|
Щебень фр. 8-16 мм – карьер Гора Змеевая |
|
Щебень фр. 4-8 мм – Баженовское месторождение |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Состав №3, щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь ЩМА-16 |
|
Щебень фр. 4-8, 8-16 мм – карьер Гора Змеевая |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Стабилизирующая добавка Стилобит |
|
Состав №4, щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь ЩМА-16 |
|
Щебень фр. 8-16 мм – карьер Гора Змеевая |
|
Щебень фр. 4-8 мм – Баженовское месторождение |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Стабилизирующая добавка Стилобит |
|
Состав №5, щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь ЩМА-22 |
|
Щебень фр. 4-8, 8-16, 16-22,4 мм – Баженовское месторождение |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Стабилизирующая добавка Стилобит |
|
Состав №6, щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь ЩМА-22 |
|
Щебень фр. 16-22,4 мм – карьер Гора Змеевая |
|
Щебень фр. 4-8, 8-16 мм – Баженовское месторождение |
|
Песок дробленый – Чернореченское месторождение |
|
Минеральный порошок МП-2 Северо-Богдановичское месторождение известняков |
|
Битум нефтяной дорожный вязкий БНД 100/130 |
|
Стабилизирующая добавка Стилобит |
Таблица 2
Физико-механические характеристики применяемого щебня
|
№ п/п |
Характеристика |
Баженовское месторождение |
Карьер Гора Змеевая |
||||
|
Фр. 4–8 мм |
Фр. 8–16 мм |
Фр.16–22,4 мм |
Фр. 4–8 мм |
Фр. 8–16 мм |
Фр.16–22,4 мм |
||
|
1 |
Марка по зерновому составу |
90/10 |
90/10 |
90/10 |
90/10 |
90/10 |
90/10 |
|
2 |
Марка по дробимости |
1400 |
1400 |
1400 |
1400 |
1400 |
1400 |
|
3 |
Сопротивление дроблению и износу |
И1 |
И1 |
И1 |
И1 |
И1 |
И1 |
|
4 |
Сцепление битума с поверхностью щебня, балл |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
Таблица 3
Физико-механические характеристики
дробленого песка
|
№ п/п |
Характеристика |
|
|
1 |
Вид горной породы |
доломит |
|
2 |
Модуль крупности |
2,95 |
|
3 |
Марка по дробимости |
1200 |
|
4 |
Содержание пылевидных и глинистых частиц, % |
8,5 |
Характеристики применяемого битума марки БНД 100/130: глубина проникания иглы при 25 °С – 103 мм-1; температура размягчения – 45,4 °С, растяжимость при 0 °С – 5,4 см. Свойства полимерно-битумного вяжущего марки ПБВ 90: глубина проникания иглы при 25 °С –
98 усл.град., температура размягчения – 61,5 °С, температура хрупкости – минус 27 °С, эластичность – 91 %.
Приготовление асфальтобетонных смесей производили в лабораторном смесителе, температура смеси составляла 140–160 °С. При этой температуре динамическая вязкость битума находилась в пределах 150–190 МПа·с.
Основная часть. Из полученных смесей формовали стандартные образцы-цилиндры диаметром 101,6 мм на компакторе Маршалла 50 ударами уплотнительного молота, на которых затем определяли физические и эксплуатационные свойства асфальтобетона (таблица 4).
Таблица 4
Физические и эксплуатационные свойства асфальтобетона
|
№ п/п |
Физико-механические показатели |
№ состава |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
|
1 |
Объемная плотность, г/см³ |
2,580 |
2,464 |
2,620 |
2,590 |
2,462 |
2,520 |
|
2 |
Содержание воздушных пустот, % |
3,1 |
3,3 |
3,2 |
3,5 |
3,0 |
3,2 |
|
3 |
Средняя глубина колеи, мм |
3,0 |
2,9 |
3,3 |
3,2 |
3,0 |
3,1 |
|
4 |
Коэффициент водостойкости |
0,86 |
0,87 |
0,87 |
0,91 |
0,86 |
0,88 |
Полученные результаты показывают, что свойства асфальтобетонов различных типов соответствуют требованиям нормативных документов, независимо от применяемых в их составе исходных материалов. При этом содержание воздушных пустот в асфальтобетоне находится в пределах от 3,0 до 3,5 %. Далее образцы асфальтобетона испытывали на истираемость.
Результаты определения истираемости асфальтобетона приведены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты определения истираемости асфальтобетона
|
№ состава |
Тип асфальтобетона |
Истираемость, см³ |
Класс по истираемости |
Требования ГОСТ Р 58406.1-2020, 58406.2-2020 |
|
1 |
А16Вт |
25 |
1 |
До 25 |
|
2 |
А16Вт |
31 |
2 |
От 26 до 35 |
|
3 |
ЩМА-16 |
24 |
1 |
До 25 |
|
4 |
ЩМА-16 |
26 |
2 |
От 26 до 35 |
|
5 |
ЩМА-22 |
30 |
2 |
От 26 до 35 |
|
6 |
ЩМА-22 |
22 |
1 |
До 25 |
На основании анализа полученных данных (таблица 5) можно провести ранжирование исследуемых асфальтобетонов по эффективности их сопротивления образованию и накоплению колеи износа: состав №6 → состав №3 → состав №1 → состав №4 →состав №5 → состав №2. При этом по значению уменьшения объема все испытанные образцы показывают класс по истираемости от 1 до 2.
Наименьшей истираемостью обладает асфальтобетон типа ЩМА-22 (состав № 6), что, вероятно, подтверждает предположение о повышенной износостойкости данного типа асфальтобетона. Это объясняется, возможно, тем, что в состав данного асфальтобетона входит щебень фр. 16–22,4 мм из горной породы габбро. Полученные результаты подтверждают утверждение о том, что чем выше размер зерен щебня, применяемого в асфальтобетоне, тем выше его стойкость к износу. Внешний вид образцов до и после испытания на истираемость, изготовленных из щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-22, показан на рисунке 2.
Дальнейшие исследования проводились на щебеночно-мастичном асфальтобетоне типа ЩМА-22. Определяли влияние вида вяжущего на интенсивность образования колеи в асфальтобетоне. Дополнительно была приготовлена асфальтобетонная смесь ЩМА-22 состава №6 с полимерно-битумным вяжущим ПБВ 90 с целью изучения влияния вида вяжущего на интенсивность образования колеи износа. Испытания образцов на истираемость показали класс по истираемости 1, при этом среднее уменьшение объема образцов составило 20 см3. Данные результаты подтверждают более высокую стойкость к износу асфальтобетона с модифицированным битумом в его составе. Коэффициент водостойкости асфальтобетона составил 0,89, что свидетельствует о высокой стойкости вяжущего к агрессивному воздействию воды и объясняется, по-видимому, более прочным сцеплением модифицированного битума со щебнем и наличием эластичности у модифицированного битума. По итогам проведенного исследования установлен оптимальный состав щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-22, обладающего повышенной стойкостью к образованию колеи износа:
|
Щебень фр. 16-22,4 мм, карьер |
44 % |
|
Щебень фр.8-16 мм, карьер |
18 % |
|
Щебень фр. 4-8 мм, карьер |
10 % |
|
Песок дробленый, месторождение «Чернореченское» |
20 % |
|
Минеральный порошок МП-2, |
8 % |
|
Полимерно-битумное вяжущее ПБВ 90, АО «Газпромнефть – |
6,4 % |
|
Стабилизирующая добавка |
0,4 % |
Рис. 2. Образцы ЩМА-22 до и после испытания на истираемость
Опытные участки из щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-22 были выполнены при ремонте городских улиц в г.Тюмень в 2023 году. Также с целью наблюдения за образованием колеи на участках торможения и разгона (перекрестки, остановки общественного транспорта) при ремонте этих участков локально был использован щебеночно-мастичный асфальтобетон типа ЩМА-22. Эксплуатация опытных участков в течение года показала частичное обнажение зерен крупного заполнителя, при этом ровность покрытия не изменилась, зазор под 3-х метровой рейкой отсутствовал.
Поиск путей снижения интенсивности образования колеи износа на автомобильных дорогах позволит нормировать данный показатель в проектной документации и на стадии проектирования автомобильных дорог прогнозировать возможный срок их эксплуатации до достижения предельного состояния, недопустимого по условиям обеспечения безопасности дорожного движения [13–15].
1. Ахмадова Х.Х., Хадисова Ж.Т., Махмудова Л.Ш., Абдулмежидова З.А., Мусаева М.А. Основные способы модификации битумов различными добавками // Вестник ГГНТУ. Технические науки, Том XV, №3 (17). 2019. С. 42–56.
2. Тимоховец В.Д., Бабич Т.Г. Определение величины износа дорожного покрытия // Construction and Geotechnics. 2024. Том 15, № 1. С. 33–45. DOI:https://doi.org/10.15593/2224-9826/2024.1.03.
3. Леднев А.В. Анализ факторов, влияющих на износостойкость асфальтобетона // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». 2018. № 1. С. 1–10.
4. Blab R., Kappl K., Lackner R., Aigner E. Permanent deformation of bituminous bound materials in flexible pavements // Evaluation of test methods and prediction models. Samaris D28. 2006. Vol. 1. Pp. 144–152.
5. Johannes G. Investigations of Road Wear Caused by Studded Tires // Tire Science and Technology. 2014. Vol. 42(1). Рp. 2–15.
6. Герцог В.Н., Долгих Г.В., Кузин Н.В. Расчет дорожных одежд по критериям ровности. Часть 1. Обоснование норм ровности асфальтобетонных покрытий // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 5 (57). С. 45–57.
7. Износ асфальтобетонных покрытий шипованной резиной [Электронный ресурс]. URL: http://www.dor.spb.ru/index/technology/iznos-pokrytiy/ (дата обращения: 22.12.2024).
8. Радовский Б.С. Концепция вечных дорожных одежд // Дорожная техника. 2011. № 11. С. 132–144.
9. Баймухаметов Г.Ф. Новые методы абразивных испытаний в дорожном строительстве // Техника и технология транспорта. 2019. № 11. С. 22–26.
10. Стягов А.С. Анализ зарубежных методов испытаний асфальтобетонов верхних слоев покрытия // Известия РГСУ. 2015. № 19. С. 208–214.
11. Хафизов Э.Р., Вдовин Е.А., Мавлиев Л.Ф., Фомин А.Ю., Буланов П.Е., Никметзянов А.Р. Определение интенсивности движения и состава потока на улично-дорожной сети г. Казани в рамках исследования образования дефектов на дорожных покрытиях // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 2. С. 297–304.
12. Хафизов Э.Р., Шамсиев Д.И., Баймухаметов Г.Ф. Мониторинг глубины колеи на автомобильных дорогах г. Казань // Фундаментальные и прикладные науки сегодня. Материалы ХХ международной научно-практической конференции. 2019. С. 107–109.
13. Torbjörn J., Lars-Göran W. Utveckling och uppgradering av prognosmodell för beläggningsslitage fran dubbade däck samt en kunskapsöversikt över inverkande faktorer. Linköping: Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI), 2007. VTI notat 07-2007. Version 3.2.03.
14. Сектор А.Г. Износ асфальтобетонных покрытий автомобильными шинами с шипами // Дорожная техника. 2017. С. 44–53.
15. Bahadori A., Zhang K., Li X., Muhunthan B. Development of asphalt materials to mitigate sdudded tire wear of pavements // Washington State University, California State University, Chico, California State University, Fresno. Final Report. 2017. 43 p. DOI:https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23938.02243
