В отличие от асфальта – природного связующего материала, формирующегося при окислении нефти в местах ее естественных разливов, асфальтобетоном называется сложная смесь компонентов – асфальтового раствора с твердой фракцией – гравием, щебнем, отсевом, песком. Асфальтовый раствор – смесь связующего (битумы, природный асфальт) с размолотыми в порошок минеральными осадочными породами.
Асфальтобетонные смеси (АБС) применяются в качестве:
- базового и внешнего слоев дороги;
- укладки элементов городской инфраструктуры (парковок, тротуаров, площадей, игровых и спортивных площадок);
- герметизации полов производственных помещений;
- материала для восстановления дорожного покрытия;
- гидроизоляционных работ.
В зависимости от твердой фракции различают асфальтобетоны:
- на основе природного песка – используется при создании покрытий пешеходных зон городской инфраструктуры с невысокой рабочей нагрузкой;
- гравийный с добавлением песка – чуть более прочен и долговечен в сравнении с песчаным. Гравий – твердые зерна из осадочных пород фракцией 2 - 10 мм, которые применяют при строительстве дорог с интенсивным пешеходным потоком или невысоким автомобильным трафиком.
- На основе смеси щебня и песка – многотоннажный дорожно-строительный материал, гарантирующий высокую надежность и долговечность дорог. Щебень представляет собой частицы с острыми шероховатыми краями размером 10-200 мм из измельченных твердых горных пород. Щебень обеспечивает более качественное сцепление с битумом, чем гравий, а песок компактно уплотняет пустоты между частицами крупной фракции, гарантируя высокую прочность при истирании и ударных нагрузках.
- Вторичный – срезанный и дробленый старый асфальт – заменяет часть свежего наполнителя для новых асфальтобетонных смесей; а также для монтажа временных трасс, дорог на слабом грунте, выравнивания ям, укрепления обочин.
По типу связующего
По агрегатному состоянию выделяют вязкие и жидкие битумы, по этой классификации различают три вида АБС:
- Литой (жидкий, наливной) на основе густых битумов: влаго- и термоустойчив, долговечен и устойчив к высоким динамическим нагрузкам. За счет повышенной вязкости не требует трамбовки и укатки; характеризуется меньшим содержанием наполнителя (щебня, гравия) и высокой температурой укладки (190-250°С);
- горячий асфальт на основе густых битумов, его укладка происходит в двух диапазонах температур: 85-140 и 100-160°С. Более низкие температуры укладки возможны из-за особенностей технологии: асфальт перед смешением вспенивается водой или присадками, уменьшая вязкость и температуру текучести. Укладка горячего асфальта требует соблюдения жестких условий: она невозможна во время осадков; температура окружающей среды не должна опускаться ниже +5°С; монтаж дорожного полотна должен производиться не позже, чем через 2-3 часа после смешения компонентов; эксплуатация горячего асфальта возможна лишь через 1-2 дня после укладки. Но именно горячий асфальт является самым оптимальным материалом для строительства дорог по соотношению прочность/цена.
- Холодным (сухим) асфальтом называют материал на основе жидких битумов, остающихся жидкими при комнатной температуре. По способу изготовления различают две разновидности холодного асфальта: минеральный наполнитель нагревается до +80-100°С – связующее при смешении нагревается горячим щебнем и песком, затем смесь остывает до температуры +25°С. Другая технология предусматривает применение пластификаторов, обеспечивающих эффективную пластификацию АБС. Холодный асфальт уступает горячему по соотношению прочность/цена. Но его высокая технологичность при укладке в условиях низких температур (-5/-15°С), его нечувствительность к высокой влажности (осадки) и возможность применения ручной утрамбовки; готовность к эксплуатации сразу после укладки и длительный срок хранения (от 6 месяцев до года без потери качества) сделали холодный асфальт незаменимым материалом для оперативного ремонта дорог и для работ по благоустройству.
Пустотность минеральной части асфальтобетонов из горячих смесей влияет на качество асфальтобетона. Различают следующие зависимости по типу смеси:
- Высокоплотные (остаточная пористость от 1% до 2,5%)
- Плотные (от 2,5% до 5%)
- Пористые (от 5% до 10%)
- Высокопористые (от 10% до 18%)
Прочность дорожного покрытия обратно пропорциональна пористости материала.
На государственном уровне нормируются (ГОСТ 9128-2013) только два показателя: предел прочности при сжатии и предел прочности на растяжение при расколе. Методики проведения испытаний описывает ГОСТ Р 58401.11-2019.
Результаты испытаний на прочность асфальтобетона влияют на подбор оптимального состава АБС перед началом строительства дорог и являются важными доводами при разрешении споров, выяснении причин снижения качества покрытия, при оценке степени его повреждения и вынесения решения о дальнейшей эксплуатации.
На прочность асфальтобетона влияют:
Прочностные характеристики асфальтобетона зависит от ряда факторов:
- Свойства связующего компонента;
- Свойства наполнителя;
- Внутреннее сцепление компонентов АБС (физическая и химическая адгезия);
- Плотность (пористость);
- Температура.
Методы определения прочности асфальта
Асфальтобетон подвергается различным воздействиям в процессе эксплуатации. Любое дорожное покрытие по факту является испытательным полигоном, на котором автомобили разной массы совершают разгоны, торможения, заносы, развороты и езду юзом. Для управления безопасностью дорожным движением асфальтобетоны подвергаются испытаниям на прочность.
Показателями качества асфальтобетонов являются:
- предел прочности при сжатии;
- предел прочности на растяжение при расколе;
- предел прочности на растяжение при изгибе;
- усталостную прочность при многократном изгибе.
Для проведения испытаний используют керны – свежеприготовленные цилиндрические образцы или вырубки из дорожного покрытия. Образцы из свежего материала уплотняются и выдерживаются 12 часов при 20°С; керны, вырубленные из старого покрытия, очищаются, промываются и высушиваются. Готовые образцы нагреваются до нужной температуры в муфельной печи.
Проведение испытаний на прочность при сжатии
Предел прочности при сжатии обусловлен граничной нагрузкой, при которой материал сохраняет целостность при вертикальном сжатии. Методики определения предела прочности при сжатии предусматривают разные условия: горячие смеси изучают при 0, 20 и 50°С; холодные – при 20°С, в сухом и водонасыщенном состоянии.
Подготовленный (охлажденный/подогретый/обводненный) керн асфальтобетона ставят вертикально под пресс и нагружают со скоростью 3мм/мин. Величину разрушающей нагрузки фиксируют в килоньютонах на квадратный метр или в паскалях. Предел прочности при сжатии вычисляют, используя полученное значение:
где Р – разрушающая нагрузка в ньютонах Н, F – площадь поперечного сечения образца, см2, 10-2 – коэффициент перевода в Па.
Для свежего дорожного покрытия характерны высокие показатели водостойкости. На показатели прочности асфальтобетона влияет температура: при –15°C предел прочности асфальтобетона при сжимающих нагрузках лежит в пределах 15–20 МПа, при +20 °C – 2–3 МПа, при +50°C – 0,8–1,2 МПа.
Для установления прочности при сдавливающей нагрузке мы предлагаем сертифицированное оборудование:
- малогабаритные испытательные прессы (МИПы): компактные и мобильные устройства, разработанные для ограниченного пространства и используются для проведения испытаний на прочность и деформацию металлических компонентов, пластиковых деталей, сборочных узлов др.;
- МИП с СТИ - машины с системой температурных испытаний для проведения исследований на сжатие, растяжение, изгиб и другие типы нагрузок с варьируемыми температурными условиями;
- серия универсальных испытательных машин МИМ для проведения испытаний на сжатие, растяжение, изгиб и другие виды механических нагрузок. Конструкция, степень автоматизации и современное ПО обеспечивают высокую стабильность и равномерность приложения нагрузок к образцам. Характеризуются заданной точностью измерений. Некоторые модификации МИМ позволяют получить сверхточные данные о механических свойствах материалов, минимизируя искажающие воздействие внешних факторов (вибраций и колебаний), что чрезвычайно важно при исследовании чувствительных материалов, применяемых в медицинской, аэрокосмической и военной сферах производства.
Испытания на прочность на растяжение при расколе
Этот критерий характеризует плиабельность и резистентность материалов к образованию трещин. В процессе испытаний определяется величина нагрузки, приводящей к расколу образца асфальта по образующей: керны под прессом располагаются горизонтально, скорость нагружения образца составляет 50 мм/мин. Показатель замеряется при температуре 0°С.
Предел прочности Rp на растяжение при расколе вычисляют по формуле:
где Р – разрушающая нагрузка, Н, h – высота образца, см;
d – диаметр образца, см.
Оба параметра, нормируемые государственными стандартами, обязательны для сертификата качества. В особых случаях этих показателей недостаточно для того, чтобы исчерпывающим образом характеризовать эксплуатационные качества асфальтобетона. Для этого применяются еще несколько методов.
Предел прочности на растяжение при изгибе
Образец помещают горизонтально на опоры под пресс, при этом в центральной части над ним располагается металлический стержень диаметром 10 мм. Скорость локального нагружения керна – 3 мм/мин, локальный участок образца изгибается под стержнем. Максимальную нагрузку, при которой образец начинает разрушаться, фиксируют, рассчитывая по ней предел прочности на растяжение при изгибе:
где Р – разрушающая нагрузка, Н; h – высота образца, см, d – диаметр образца, см; l – расстояние между точками опоры, см.
Исследование позволяет выяснить характеристики изгиба, предельную относительную деформацию, модуль деформации, которые описывают деформативные свойства, характеризующие способность материала не разрушаясь изменять форму.
Усталостная прочность при многократном изгибе
Параметры, описанные выше оценивают лишь статическую прочность материалов, не учитывая циклические нагрузки. В процессе эксплуатации у материалов появляются усталостные нагрузки. Способность их выдерживать без разрушения называют выносливостью, усталостной прочностью.
Асфальтобетон испытывают на способность сопротивляться усталостным нагрузкам путем многократной обработки образца разрушающим воздействиям. Изменение прочности образца в зависимости от числа циклов представляют в виде графика.
Для циклических испытаний мы предлагаем дополнительное сертифицированное оборудование – длинноходовые экстензометры, позволяющее исследовать поведение локальных мест образцов, наблюдая в режиме реального времени характеристики прочности, измеряя деформации на заданных участках испытуемых материалов. Экстензометры крепятся на поверхности образца и в режиме реального времени фиксируют поведение материалов при различных нагрузках, позволяя проанализировать структурные изменения.