Структура асфальтобетона определяется количеством и качеством составляющих, их сочетанием и размещением. Структура асфаль­тобетона определяет главные физико-химические и физико-механические свойства асфальтобетона: плотность и прочность, водо­стойкость и деформативность, старение и долговечность. Структура асфальтобетона может быть каркасная, бескаркасная, а также про­межуточных форм. Текстура асфальтобетона определяется размером и характером размещения структурных элементов в поверхностном слое материала. Текстура определяет эксплуатационные свойства асфальтобетонного покрытия: износостойкость, шероховатость, шумность, светоотражательные свойства. Текстура может быть глад­кая и микрошероховатая, средне- и грубошероховатая.

Напряжения, возникающие в асфальтобетонном покрытии, все­цело зависят от транспортных нагрузок и не зависят от вида его структуры. Различие заключается лишь в том, какие напря­жения по виду и величине возникают в покрытии и на материалах, составляющих асфальтобетон.

В покрытии из уплотненной битумощебеночной смеси (см. рис. 6.2) напряжение от колеса транспортного средства передается от зерна к зерну по площади контакта. Проявляются давление от транспортных средств, трение и зацепление между зернами. Проч­ность, устойчивость покрытия в этом случае зависят прежде всего от механических свойств зерен щебня (прочности при сжатии, износе и расколе). Битумная пленка на минеральных зернах обеспечивает объединение отдельных зерен в монолит. В этом мате­риале механические свойства битумной пленки играют подчиненную роль. Такой тип смесей обычно используют в основании, но иногда применяют и в покрытии.

В покрытии из асфальтовой мастики (см. рис. 6.1) напряжение от колеса транспортного средства полностью передается на асфальтовяжущее. Для избежания деформаций в этом случае применяют высоковязкий битум (глубина проникания при 25°С 20—40°) и большое количество минерального порошка (30—32%). Минераль­ный порошок структурирует битум, тем самым повышая его температуростойкость. Температура размягчения асфальтовяжущего в асфальтовой мастике достигает 75—80°С.

Все асфальтобетонные смеси по условиям восприятия нагрузки -находятся между этими крайними представителями смесей. В одном случае преобладает механизм распределения напряжений на асфаль­товый раствор, при котором прочность щебня не является самым важным. В другом случае при большом содержании щебня напряже­ния воспринимаются скелетом из минеральных зерен, поэтому требо­вания к механическим свойствам щебня должны быть весьма вы­соки.

В многощебенистых асфальтобетонах (зерен крупнее 5 мм более 50% по массе) имеется скелет из зерен щебня (рис. 6.3, а). Зерна щебня контактируют друг с другом через тонкие пленки битума. Межзерновые пустоты заполнены асфальтовым раствором. Остаточ­ная пористость не превышает 5%. Малощебенистый асфальтобетон (зерен крупнее 5 мм 20—35% по массе) имеет структуру асфальто­вого раствора с плавающими зернами щебня (рис. 6.3, б). Зерна щебня в этом случае разделены толстыми прослойками раствора и являются своего рода инертным заполнителем: размер, свойства поверхности, форма зерен щебня не оказывают в этом случае сущест­венного влияния на свойства асфальтобетона. Среднещебенистый асфальтобетон (зерен крупнее 5 мм 35—50% по массе) занимает промежуточное положение между двумя названными типами. Составы с 35—40% щебня по структуре и свойствам приближают­ся к малощебенистому асфальтобетону. Асфальтобетоны с содержа­нием щебня 40—45% имеют очаговую структуру: нет сплошного каркаса, свойства асфальтобетонов определяются как свойствами растворной части, так и щебня. При содержании щебня 45—50% имеется почти полный каркас.

Рис. 6.3. Структура асфальтобетона: а – многощебенистого (каркасного); б - малощебенистого (бескаркасного). 1 – асфальтовяжущее; 2 – щебень; 3 – песок;   4 – поры.

Таким образом, общее сравнение типовых асфальтобетонных месей и объяснение их механизма сопротивленияи аспределениянапряжений от колес транспортных средств позволяют анализиро­вать поведение асфальтобетона в покрытии при эксплуатациии правильно рекомендовать ту или иную смесь для данных конкретных условий.

7.7 . СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА

Механические свойства. Под механической нагрузкой асфальто­бетон проявляет комплекс сложных свойств: упругость, пластич­ность, изменение прочности в зависимости от скорости деформи­рования, на накопление деформации при многократных приложениях нагрузки и т. д.

Прочность—свойство асфальтобетона сопротивляться разруше­нию под действием механических напряжений. Для асфальтобетона как термопластичного материала различают два вида потери прочности: в упругой стадии, приводящую к разрушению покрытия; в пластической стадии, приводящую к возникновению деформа­ций, нарушающих нормальную эксплуатацию конструкции. Особен­ностью разрушения асфальтобетона по сравнению с иементобетоном и другими подобными материалами является резко выражен­ная зависимость прочности от времени действия нагрузки и тем­пературы.

Разрушение асфальтобетона под действием приложенного напря­жения представляет собой развивающийся во времени процесс.

Чем больше величина действующих напряжений, тем быстрее раз­рушается асфальтобетон.

Если напряжение, возникающее от транспортных средств, значи­тельно меньше, чем предел прочности асфальтобетона, то оно не оказывает существенного влияния на долговечность покрытия. Доуплотнение покрытия при движении транспортных средств улуч­шает его свойства, мелкие трещины закатываются.

Улучшаются деформативные свойства, повышается водо- и теплостойкость.

Собственная масса покрытия является также фактором, который при высокой температуре приводит к ползучести асфальтобетона.

В результате деформации ползучести асфальтобетонное покрытие копирует неровности основания и трещин (в случае цементобетон-ного основания).

Прочность асфальтобетона принято оценивать по испытанию цилиндрических образцов на сжатие при 50, 20 и 0°С и скорости деформирования 3 мм/мин. Наиболее важен показатель прочности при 50°С, по которому судят о поведении асфальтобетонного по­крытия под нагрузкой в летнее время. Прочность при сжатии асфаль­тобетона при этой температуре должна быть не ниже величин, при­веденных в табл. 6.2.

Если при 50°С нормативными документами ограничивается ниж­ний предел прочности (1,0—1,2 МПа), то при 0°С—верхний предел прочности (не более 12 МПа). Показатель прочности при сжатии при 50°С характеризует сдвигоустойчивость асфальтобетона при высокой температуре и сопротивляемость материала образованию пластических деформаций в покрытии. Показатель прочности при 0°С косвенно характеризует трещиностойкость асфальтобетона при низкой температуре.

Для характеристики пластичности асфальтобетона при положи-

Таблица 6.2

Рис. 6.4. Зависимость прочности при изгибе асфальтобетона от температуры:

 1 - битум БНД 60/90; 2 – БНД 130/200; 3 – БНД 200/300; 4 – температура хрупкости асфальтобетона (точка перегиба кривой).

тельных температурах, когда воз­можно возникновение деформа­ций покрытий (волн, наплывов), служит показатель пластич­ности:

К =

где R₁ и R₂ — предел прочности при сжа­тии, МПа;

u₁ и u₂— скорости деформирования (обычно 3 и 30 мм/мин).

Асфальтобетон считают непластичным, если при 50 °С К £ 0,10, нормальной пластичности при K = 0,15—0,24 и пластичным при К > 0,25.

С понижением температуры происходит приращение прочности асфальтобетона (рис. 6.4). Участок стабилизации прочности харак­теризует переход асфальтобетона в хрупкое состояние. В асфальтобетоне с битумом БНД 40/60 участок стабилизации прочности на растяжение при изгибе достигается при —10°С, а в асфаль­тобетоне с БНД 130/200—при —20°С. Асфальтобетон с более низкой температурой хрупкости, естественно, более пластичен при низких температурах.

Основным критерием прочности асфальтобетона при отрица­тельных температурах являются его деформативные свойства, ха­рактеризующие устойчивость против образования трещин. Для пре­дотвращения образования трещин необходимо, чтобы асфальто­бетон обладал способностью деформироваться под действием рас­тягивающих напряжений без нарушения сплошности. Для оценки обычно используют предельную относительную деформацию в момент разрушения.

Если деформирование чисто упругое, то критическая относи­тельная деформация не превышает 0,001.

По мере повышения температуры критическое относительное удлинение увеличивается.

Деформативность асфальтобетона. Ее оценивают по относитель­ной деформации асфальтобетонных образцов при испытании на изгиб или растяжение. Покрытие будет устойчивым против обра­зования трещин, если асфальтобетон обладает относительным удли­нением при 0°С не менее 0,004—0,008, а при — 20°С не менее 0,001—0,002 (при скорости деформации, близкой к 5—10 мм/мин).

Таблица 6.3

Статический модуль упругости определяют при приложении еди­ничной нагрузки в середине пролета образца-балочки:

где Р — вертикальная нагрузка;

l —расчетный пролет балочки (0,14 м);

f — упругий прогиб балочки;

I —момент инерции сечения образца (I = bh³/12, где b и h ширина и высота балочки).

Величину Р обычно принимают 0,2—0,3 от разрушающей нагруз­ки. Статический модуль упругости соответствует воздействию ав­томобиля на стоянке, остановке и перекрестках (табл. 6.3).

Кратковременный (динамический) модуль упругости определяют по той же формуле, но при продолжительности действия нагрузки 0,1 с. Значение кратковременного модуля упругости соответствует режиму воздействия подвижных нагрузок на асфальтобетонное покрытие. Как видно из табл. 6.4, значение кратковременного модуля упругости понижается с повышением температуры.                  

Таблица 6.4

Примечания. 1. Если данных непосредственных региональных наблюдений за темпе­ратурой покрытий не имеется, можно принимать в качестве расчетной температуры асфальто­бетона в I — II дорожно-климатических зонах 20 °С, в III зоне 30 °С, в IV 40 °С и в V 50°С.

2. Модули упругости плотного асфальтобетона даны применительно к смесям типа Б. При температурах от 30 до 50 °С модули упругости для смесей типа А следует увеличивать, а типов В, Г, Д — уменьшать на 20%.

Устойчивость асфальтобетона к атмосферным факторам. Асфаль­тобетонное покрытие при длительном увлажнении может разрушать­ся за счет выкрашивания минеральных зерен, что приводит к по­вышенному износу покрытий и образованию выбоин.

Пористость оказывает большое влияние на водостойкость асфальтобетона, обычно она составляет 3—7%. Поры в асфальто­бетоне могут быть открытые и замкнутые. Как правило, с умень­шением размера зерен увеличивается количество замкнутых, недоступных воде пор. Проникание воздуха в поры асфальтобетона ускоряет старение битума. Повышается вязкость битума, снижается деформативность. Это приводит к образованию трещин на покры­тии.

Водостойкость определяют величиной водонасыщения, набухания и коэффициентом водостойкости К (отношение прочности водо-насыщенных к прочности сухих образцов). Коэффициент водостой­кости должен быть не менее 0,9, а при длительном водонасыщении (15 сут) не менее 0,8.

Характеристики асфальтобетонного покрытия. Для безопасного и комфортабельного движения автомобилей большое значение имеют следующие характеристики асфальтобетонного покрытия: ровность, шероховатость (сопротивление скольжению и дренирова­ние поверхностной воды), шум при движении, оптические свойства, чувствительность к пластическим деформациям (колеи и волны), водонепроницаемость (предотвращение проникания поверхност­ной воды в покрытие).

Ровность покрытия определяют трехметровой рейкой с калибро­ванным клином (промерником), двухопорной трехметровой рейкой типа ПКР-1, многоопорной рейкой типа ПКР-4 или установкой ПКРС-2 при скорости 30 км/ч. Так, для дорог I—III категорий количество просветов под рейкой до 2 мм должно быть не менее 90%, а просветов более 3 мм—не более 5%.

Недостаточная ровность покрытия снижает скорость автомобилей и ухудшает комфортность движения.

Износостойкость—сопротивление асфальтобетона действию сил трения, вызываемых проскальзыванием колес автомобиля по по­верхности покрытия, и вакуумных сил, возникающих под движу­щимся автомобилем. Износ покрытия определяется истиранием его структурных элементов, отрывом и уносом с его поверхности зерен песка и раздробленных щебенок.

Износ покрытий из песчаного асфальтобетона прежде всего взаимосвязан с характером поверхности частиц, поэтому износ асфальтобетона на высевках изверженных горных пород всегда меньше износа бетона на окатанном кварцевом песке. Истираемость асфальтобетонного покрытия при интенсивном автомобильном дви­жении составляет 0,3—1,0 мм в год.

Шероховатость асфальтобетонного покрытия обеспечивает дос­таточное сцепление шин автомобиля с поверхностью покрытия.

При этом шероховатость поверхности покрытия не оказывает су­щественного влияния на сопротивление скольжению шин. На покры­тиях с увлажненной поверхностью степень сопротивления сколь­жению шин значительно снижается из-за наличия воды в зоне контакта шин с покрытием.

Степень сопротивления скольжению оценивается коэффициентом сопротивления скольжению f (коэффициентом сцепления), представляющим собой отношение силы сопротивления скольжению к нормальной нагрузке на покрытие в зоне контакта шины с по­крытием. Коэффициент сцепления взаимосвязан с текстурой поверх­ности (рис. 6.5).

Ориентировочные значения коэффициента сцепления различных покрытий, обладающих разными параметрами шероховатости:

Асфальтобетонные покрытия из многощебенистых смесей и покрытия из черного щебня 0,45

Покрытия из асфальтобетонных песчаных смесей типа Г (шерохова­тость типа «наждачная бумага») 0,45

Асфальтобетонные покрытия с втапливанием черного щебня_ 0,50

Поверхностная обработка с применением черного щебня __ 0,50

Поверхностная обработка с применением необработанного битумом (белого) щебня 0,60

При коэффициенте сцепления менее 0,4 покрытие становится недопустимо скользким и аварийность на нем резко увеличивается. Коэффициент сцепления 0,4—0,5 в большинстве случаев удовлетво­ряет безопасности движения.

Повышение коэффициента сцепления достигается путем приме­нения асфальтобетона каркасной структуры.

Светоотражательные (рефлекторные) свойства асфальтобетонно­го покрытия главным образом зависят от свойств исходных минеральных материалов и текстуры поверхности асфальтобетона. Для хорошей видимости проезжей части, покрытия и маркировок на ней в ночное время необходимо подбирать материалы с различ­ными светоотражательными свойствами. Щебень из светлых горных пород дает лучшие результаты, чем из темных пород. Для повышения рефлектирующей способности покрытия в асфальтобетонную смесь добавляют синтетический светлый щебень синопал, дорсил и др. Гладкая поверхность асфальтобетона обладает меньшей рефлекти­рующей способностью, чем шероховатая.

Шум при движении автомобилей происходит главным образом от взаимодействия покрышки колеса с поверхностью покрытия. Общий шум включает также и аэродинамический шум, шум от двига­теля и трансмиссии.

Результаты измерения транспортного шума при движении по асфальтобетонному покрытию приведены на рис. 6.6. Шум при дви­жении возрастает пропорционально увеличению скорости как лег­кового, так и грузового автомобиля.

Уровень шума взаимосвязан с текстурой поверхности асфаль­тобетонного покрытия. Гладкая поверхность дает наименьший шум при движении, а макрошероховатая—наибольший, увеличивающий­ся с ростом скорости автомобиля.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

7.9 ПРОИЗВОДСТВО АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ