Прочность на растяжение при расколе при температуре 0 с
В качестве показателя трещиностойкости асфальтобетона предлагается использовать отношение предела прочности асфальтобетона на растяжение R к его модулю упругости Е.
Прочность асфальтобетона на растяжение является главным фактором его сопротивления образованию трещин: чем больше эта прочность, тем выше трещиностойкость материала. Модуль упругости оказывает решающее влияние на величину температурных напряжений в асфальтобетонном покрытии: чем он больше, тем больше величина этих напряжений и тем меньше трещиностойкость покрытия.
Таким образом, с одной стороны, необходимо стремиться к увеличению прочности, а с другой — к уменьшению модуля упругости.
Прочность и модуль упругости асфальтобетона определяют путем сжатия стандартных цилиндрических образцов по образующей.
Определение предела прочности на растяжение при расколе
Аппаратура: испытательная машина с механическим приводом; термометр химический ртутный стеклянный с ценой деления шкалы 1 °С; сосуды для термостатирования образцов емкостью 7… 10 л.
Подготовка образцов к испытанию. Изготовленные по методике ГОСТ 12801-98 три образца асфальтобетона до испытания выдерживают при комнатной температуре не менее 12 ч. Перед испытанием образцы выдерживают в водно-ледяной смеси при 0 °С. Время выдержки образцов с размерами h = d = 50,5 мм — 1ч, h = d = 71,4 мм — 1,5 ч.
Проведение испытания. Цилиндрический образец, извлеченный из водно-ледяной смеси, укладывают на образующую боковой поверхности в центре нижней плиты пресса, после чего включают электродвигатель и доводят образец до разрушения. Для сохранения температуры образца между ним и металлическими плитами укладывают прокладку из плотной бумаги. Весь цикл испытания от момента извлечения образца из воды до его разрушения не должен занимать более 2 мин. За разрушающую нагрузку принимают максимальное показание силоизмерителя.
Обработка результатов. Предел прочности на растяжение при расколе R вычисляют с точностью до 0,01 МПа по формуле
где Рр — максимальное усилие в момент разрушения образца; h, d — высота и диаметр образца.
За результат определения принимают среднее арифметическое значение испытания трех образцов. Расхождения между результатами испытаний отдельных образцов не должны превышать 10 %.
Определение модуля упругости
Аппаратура: пресс и приборы для термостатирования образцов те же, что и при испытании на растяжение при расколе; специальное приспособление с индикатором часового типа (цена деления 0,01 мм) для измерения поперечной деформации диаметра образца в процессе нагружения.
Приспособление (рис. П3.1) состоит из рамки 1, которая крепится вплотную к одной половине образца 3 с помощью винтов 2. С другой стороны рамки с помощью винта 4 крепится индикатор 5, измерительная ножка которого упирается в образующую поверхность образца. Таким образом, индикатор жестко связан с образцом и при нагружении показывает фактическую деформацию растяжения образца по диаметру.
Рис. П3.1. Приспособление для испытания стандартного асфальтобетонного образца: 1 — рамка для крепления индикатора на образце; 2 — крепежные винты; 3 — образец асфальтобетона; 4 — винт для крепления индикатора в рамке; 5 — индикатор часового типа
Подготовка образцов к испытанию. Перед испытанием образцы термостатируют при температуре О °С в водно-ледяной смеси. После этого на образец крепится рамка 1 с индикатором 5. При этом измерительная ножка индикатора должна находиться в контакте с боковой поверхностью образца.
Проведение испытания. Непосредственно перед испытанием образец извлекают из холодильной камеры и измеряют его диаметр и высоту с точностью ±0,1 мм.
Образец с рамкой и индикатором устанавливают на плиту испытательной машины и производят нагружение с постоянной стандартной скоростью деформирования 3 мм/мин. В процессе нагружения следят за стрелкой индикатора: когда стрелка переместится на два деления, отсчитывают по силоизмерителю значение PD и, не прерывая нагружения, доводят образец до разрушения, фиксируя максимальное усилие в момент разрушения Рр.
Обработка результатов. По результатам испытаний определяют предел прочности асфальтобетона на растяжение при расколе, а также модуль упругости по формуле
где PD — усилие в момент достижения поперечной деформации образца, равной dAd (Ad = 0,02 мм).
Показатель трещиностойкости R/E определяют по формулам:
- ? для образцов d = h = 50,5 мм — R/E = 4 • 10~4Pp/PD;
- ? для образцов d = h = 71,4 мм — R/E = 3 • 10~4Pp/PD.
Источник
Прочность и устойчивость асфальтобетона в покрытии. Основными физико-механическими свойствами асфальтобетона в слоях дорожной одежды являются:
прочность асфальтобетона при различных температурах, характеризующая сопротивление сжимающим силовым воздействиям при различных температурах;
водостойкость, характеризующая потерю прочности асфальтобетона при водонасыщении;
водонасыщение, характеризующее остаточную пористость материала;
сдвигоустойчивость, характеризующая способность сопротивляться касательным напряжениям;
трещиностойкость, характеризующая сопротивление растягивающим силовым воздействиям при низких температурах.
Для реализации этих свойств асфальтобетона ГОСТ 9128-97 с изменением № 2 от 11.06.2002 г. предусматривает показатели для асфальтобетонов, приведенные в табл. 7.
Показатели физико-механических свойств пористых и высокопористых асфальтобетонов из горячих смесей должны соответствовать требованиям табл. 6 ГОСТ 9128-97, а показатели физико-механических свойств асфальтобетонов из холодных смесей — требованиям табл. 7 ГОСТ 9128-97.
Однородность горячих смесей оценивается коэффициентом вариации предела прочности при сжатии при температуре 50°С, а холодных смесей — коэффициентом вариации водонасыщения, которые должны соответствовать требованиям табл. 9 ГОСТ 9128-97. Методы определения показателей свойств асфальтобетона изложены в ГОСТ 12801-98.
Выбор конструкции дорожной одежды с учетом сдвигоустойчивости и трещиностойкости. Представленные в табл. 2 расчётные толщины слоев дорожной одежды зависят от климатических условий зоны строительства и интенсивности расчетных транспортных нагрузок (количество расчетных автомобилей категории А в сутки на полосу движения).
Толщины слоев асфальтобетонного покрытия меняются мало:
у двухслойного покрытия на двухслойном основании — верхний слой в пределах от 3,5-4 см до 4-5 см, нижний слой в пределах 5-6 см;
у двухслойного покрытия на однослойном основании — верхний слой в пределах от 3,5-4 см до 4-5 см, нижний слой в пределах 4-6 (5) см до 8 см;
у однослойного покрытия на двухслойном основании — слой покрытия не меняется — 5 см.
Толщины слоев основания изменяются в широких пределах, так как применяемые в слоях основания различные материалы имеют очень разные модули упругости, а также очень зависят от условий работы дорожной одежды (тип местности, тип увлажнения, толщина песчаного дополнительного слоя).
Решающими факторами выбора конструкции из нескольких равнопрочных является их стоимость в данном регионе, для которого конструкция дорожной одежды выбирается.
Таблица 7
Показатели физико-механических свойств асфальтобетонов
| Показатели свойств асфальтобетонов | Значения для асфальтобетонов марки | ||||||||
| I | II | III | |||||||
| для дорожно-климатических зон | |||||||||
| I | II-III | IV-V | I | II-III | IV-V | I | II-III | IV — V | |
| Предел прочности при сжатии при температуре 50°С, МПа, не менее, для асфальтобетонов типов: | |||||||||
| высокоплотных | 1,0 | 1,1 | 1,2 | — | — | — | — | — | — |
| плотных: | |||||||||
| А | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | — | — | — |
| Б | 1,0 | 1,2 | 1,3 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 0,8 | 0,9 | 1,1 |
| В | — | — | — | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,0 | 1,1 | 1,2 |
| Г | 1,1 | 1,3 | 1,6 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 0,9 | 1,0 | 1,1 |
| Д | — | — | — | 1,1 | 1,3 | 1,5 | 1,0 | 1,1 | 1,2 |
| Предел прочности при сжатии при температуре 20°С для асфальтобетонов всех типов, МПа, не менее | |||||||||
| 2,5 | 2,5 | 2,5 | 2,2 | 2,2 | 2,2 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | |
| Предел прочности при сжатии при температуре 0°С для асфальтобетонов всех типов, МПа, не более | |||||||||
| 9,0 | 11,0 | 13,0 | 10,0 | 12,0 | 13,0 | 10,0 | 12,0 | 13,0 | |
| Водостойкость не менее: | |||||||||
| плотных асфальтобетонов (после вакуума) | 0,95 | 0,9 | 0,85 | 0,9 | 0,85 | 0,8 | 0,85 | 0,75 | 0,7 |
| высокоплотных асфальтобетонов (после вакуума) | 0,95 | 0,95 | 0,9 | — | — | — | — | — | — |
| плотных асфальтобетонов при длительном водонасыщении | 0,95 | 0,85 | 0,75 | 0,85 | 0,75 | 0,7 | 0,75 | 0,65 | 0,6 |
| высокоплотных асфальтобетонов при длительном водонасыщении | 0,95 | 0,90 | 0,85 | — | — | — | — | — | — |
| Водонасыщение для асфальтобетонов (образцов из смеси / вырубок и кернов), не более: | |||||||||
| высокоплотных | 1,0-2,5/3,0 | ||||||||
| плотных типов | |||||||||
| А | 2,0-5,0/5,0 | ||||||||
| Б, В и Г | 1,5-4,0/4,5 | ||||||||
| Д | 1,0-4,0/4,0 | ||||||||
| Сдвигоустойчивость по: | |||||||||
| коэффициенту внутреннего трения, не менее, для асфальтобетонов типов: | |||||||||
| высокоплотных | 0,86 | 0,87 | 0,89 | 0,86 | 0,87 | 0,89 | — | — | — |
| плотных: | |||||||||
| А | 0,86 | 0,87 | 0,89 | 0,86 | 0,87 | 0,89 | — | — | — |
| Б | 0,80 | 0,81 | 0,83 | 0,80 | 0,81 | 0,83 | 0,79 | 0,80 | 0,81 |
| В | — | — | — | 0,74 | 0,76 | 0,78 | 0,73 | 0,75 | 0,77 |
| Г | 0,78 | 0,80 | 0,82 | 0,78 | 0,80 | 0,82 | 0,76 | 0,78 | 0,80 |
| Д | — | — | — | 0,64 | 0,65 | 0,70 | 0,62 | 0,64 | 0,66 |
| сцеплению при сдвиге при температуре 50°С, МПа, не менее, для | |||||||||
| асфальтобетонов типов: | |||||||||
| высокоплотных | 0,25 | 0,27 | 0,30 | — | — | — | — | — | — |
| плотных: | |||||||||
| А | 0,23 | 0,25 | 0,26 | 0,22 | 0,24 | 0,25 | — | — | — |
| Б | 0,32 | 0,37 | 0,38 | 0,31 | 0,35 | 0,36 | 0,29 | 0,34 | 0,36 |
| В | — | — | — | 0,37 | 0,42 | 0,44 | 0,36 | 0,40 | 0,42 |
| Г | 0,34 | 0,37 | 0,38 | 0,33 | 0,36 | 0,37 | 0,32 | 0,35 | 0,36 |
| Д | — | — | — | 0,47 | 0,54 | 0,55 | 0,45 | 0,48 | 0,50 |
| Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0°С и скорости деформирования 50 мм/мин для асфальтобетонов всех типов, МПа: | |||||||||
| не менее | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| не более | 5,5 | 6,0 | 6,5 | 6,0 | 6,5 | 7,0 | 6,6 | 7,0 | 7,5 |
Примечание. При использовании полимерно-битумных вяжущих допускается снижать нормы к сцеплению при сдвиге и пределу прочности на растяжение при расколе на 20 %.
Дополнительными, очень важными с точки зрения обеспечения прочности и надежности дорожной одежды факторами, определяющими выбор материалов и толщин слоев дорожной одежды, являются: сдвигоустойчивость асфальтобетона и других материалов с использованием органических вяжущих в слоях дорожной одежды; трещиностойкость слоев покрытия и основания.
Основное влияние на сдвигоустойчивость и трещиностойкость дорожной одежды и ее слоев оказывают климатические условия ее работы. Данные по климатическим условиям и ожидаемым температу рам асфальтобетонного покрытия для ряда городов Российской Федерации (по СНиП 23-01-99), входящих территориально в различные дорожно-климатические зоны (ДКЗ) по СНиП 2.05.02 -85, приведены в табл. 8, из которых видно, что температуры воздуха (наиболее холодной пятидневки и абсолютной) для этих городов зависят, главным образом, от расположения в приморском, континентальном или резкоконтинентальном регионах.
Таблица 8
| Дорожно- климатичес- кие зоны по СНиП 2.05.02 -85 | Города, вхо- дящие в зоны (примеры) | Климатические условия по СНиП 23-01 -99 | Ожидаемые температуры асфальтобетонного покрытия, °С | |||||
| температура воздуха наиболее холодной пятидневки, ° C обеспеченностью 0,98 | температура воздуха теплого периода, °С, обеспеченностью 0,98 | абсолютная температу- ра воздуха, °С | мини- мальные | макси- мальные | диапа- зон ра- бочих темпе- ратур | |||
| минималь- ная | максималь- ная | |||||||
| I | Мурманск Салехард Якутск | -29 -43 -57 | 15,8 16,3 22,8 | -39 -54 -64 | 33 31 38 | -34 -48 -60 | 35 36 47 | 69 84 107 |
| II | Архангельск Москва Тюмень | -34 -30 -42 | 19,6 22,6 21,6 | -45 -42 -50 | 34 37 38 | -36 -34 -46 | 36 37 48 | 72 71 94 |
| III | Казань Омск Новосибирск | -36 -39 -42 | 23,5 23,3 22 | -47 -49 -50 | 38 40 38 | -38 -44 -46 | 48 50 50 | 86 94 96 |
| IV | Саратов Оренбург | -30 -34 | 25,1 26,1 | -37 -43 | 41 42 | -34 -38 | 38 60 | 72 98 |
| V | Астрахань Элиста | -24 -25 | 28,4 32 | -33 -34 | 40 43 | -34 -34 | 50 64 | 84 98 |
Можно выделить регионы.
По температурам воздуха для холодного периода (воздуха наиболее холодной пятидневки, воздуха абсолютной оптимальной):
регионы с малой низкотемпературной нагрузкой (Мурманск, Архангельск, Москва, Казань, Саратов, Оренбург, Астрахань, Элиста) — ожидаемая критическая температура покрытия равна минус (34…39) °С;
регионы со средней низкотемпературной нагрузкой (Салехард, Тюмень, Омск, Новосибирск) — ожидаемая критическая температура покрытия равна минус (44…48) °С;
регионы с большой низкотемпературной нагрузкой (Якутск) — ожидаемая критическая температура покрытия равна минус (60…62) °С.
По температурам воздуха для теплого периода (воздуха теплого периода, воздуха абсолютная максимальная, суточная амплитуда наиболее теплого периода):
регионы с малой высокотемпературной нагрузкой (Мурманск, Салехард, Архангельск, Москва, Саратов) — ожидаемая критическая температура покрытия равна плюс (35…38) °С;
регионы со средней высокотемпературной нагрузкой (Якутск, Тюмень, Казань, Омск, Новосибирск, Астрахань) — ожидаемая критическая температура покрытия равна плюс (47…50) °С;
регионы с большой высокотемпературной нагрузкой (Оренбург, Элиста) — ожидаемая критическая температура покрытия равна плюс (60…64) °С
Основными факторами, влияющими на сдвигоустойчивость асфальтобетона в покрытии, являются: температура размягчения вяжущего при высоких температурах; содержание щебня в асфальтобетоне; содержания минерального порошка; устойчивость материалов слоев основания под действием многократно повторяющихся нагрузок и способность слоя основания снижать напряжение от этих нагрузок на нижележащие слои (плитный эффект).
Основными факторами, влияющими на трещиностойкость асфальтобетонного покрытия, являются: температура хрупкости вяжущего при низкой температуре; оптимальное содержание минерального порошка; расширение рабочего диапазона температур битума за счет его модификации при вводе полимеров или каучуков; трещиностойкость слоев основания.
Наиболее важные для обеспечения сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетона нормативные и фактические показатели свойств нефтяных дорожных битумов и полимерно-битумных вяжущих приведены в табл. 9.
Фактические показатели температур размягчения вяжущих на 2-3°С выше указанных требований, а с учетом работы битумов в асфальтобетоне в очень тонких пленках, а также структурирующего влияния минерального порошка могут быть приняты выше на 5-6°С
Фактические показатели температур хрупкости вяжущих на минус 3-4°С выше указанных требований, а с учетом особенностей работы битумов в асфальтобетоне и влияния минерального порошка могут быть приняты выше на минус 6-8°С Сравнение показателей табл. 8 и 9 говорит, что обеспечение сдвигоустойчивости и трещиностойкости асфальтобетонов в диапазоне рабочих температур является сложной проблемой. В связи с этим было принято изменение № 2 к ГОСТ 9128-97 от 11.06.2002 г., включающее требования к сдвигоустойчивости и трещиностойкости (см. табл. 7). Следует отметить, что на показатель коэффициента внутреннего трения больше всего влияет содержание в асфальтобетоне щебня, а на показатели сцепления при сдвиге и предел прочности на растяжение — свойства битума и оптимальное содержание минерального порошка. Как указано выше, значительное влияние на сдвигоустойчивость и трещиностойкость асфальтобетонного покрытия оказывает тип материала основания.
Таблица 9
| Показатели свойств вяжущих | Класс вяжущего | Значения показателей для вяжущих марок | ||||
| 200/300 | 130/200 | 90/130 | 60/90 | 40/60 | ||
| Нормативная температура размягчения по кольцу и шару (КиШ), ° C не ниже | ПБВ БНД БН | 47/45 35 30 | 49/47 40 38 | 51/49 43 41 | 54/51 47 45 | 56/54 51 — |
| Нормативная температура хрупкости, °С, не выше | ПБВ БНД БН | -35/40 -20 -14 | -30/35 -18 -12 | -25/30 -17 -10 | -20/25 -15 -6 | -15/20 -12 — |
| Фактическая температура размягчения вяжущего в асфальтобетоне, °С | ПБВ БНД БН | 53/51 41 36 | 55/53 46 44 | 57/55 49 47 | 60/57 53 51 | 62/60 57 57 |
| Фактическая температура хрупкости вяжущего в асфальтобетоне, °С | ПБВ БНД БН | -43/48 -28 -22 | -38/43 -26 -22 | -33/38 -25 -18 | -28/33 -23 -14 | -23/28 -20 -10 |
| Максимальный обеспечиваемый диапазон рабочих температур, °С | ПБВ БНД БН | 96/99 69 58 | 93/96 72 64 | 90/93 74 65 | 88/90 76 65 | 85/88 77 67 |
Наилучшей работоспособностью обладают дорожные одежды с двухслойным асфальтобетонным покрытием и двухслойным основанием, в верхнем слое которого используются щебеночный асфальтобетон или щебеночные материалы, обработанные битумом или битумной эмульсией. Более склонны к прогибу и передаче напряжений на нижние слои основания из гравийного асфальтобетона и гравийных материалов, обработанных битумом или битумной эмульсией.
В нижнем слое двухслойного и однослойного основания используют: щебеночные, гравийные материалы и грунты, укрепленные минеральными вяжущими различной прочности; цементобетон различной прочности; щебень, уложенный по способу заклинки; подобранный щебеночный и гравийный материал.
Работоспособностью, с точки зрения уменьшения прогиба под действием колесной нагрузки (плитным эффектом), обладают нижние слои двухслойного и однослойного основания из щебеночных, гравийных материалов, укрепленных 5-7 % цемента, грунтов, укрепленных минеральными вяжущими I класса прочности, из тощего цементобетона марки 75, 100 и 125 (позиции 1-5, 16 разд. 18.2).
Меньшим плитным эффектом обладают слои из гравийных материалов, обработанных 4-5 % цемента, грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, II класса прочности, а также щебеночные слои, выполненные по способу заклинки (позиции 6-10, 17 разд. 18.2).
Наихудшим плитным эффектом обладают слои из песков и золошлаков, укрепленных 5-6 % цемента, грунтов, укрепленных минеральными вяжущими, III класса прочности, а также подобранного щебеночного и гравийного материала (позиции 11-15, 18, 19 разд. 18.2).
Слои основания из щебеночных, гравийных материалов, укрепленных 5-7 % цемента, а еще более из цементобетона склонны к растрескиванию и образованию поперечных неорганизованных (хаотичных) трещин, особенно в период набора прочности (в течение 1-2 суток после укладки) и главным образом при большой амплитуде перепада температур воздуха (более 12° C ) в этот период, что характерно для регионов с континентальным и резко континентальным климатом (Якутск, Оренбург, Элиста, а также Тюмень, Новосибирск, Саратов). На покрытиях, уложенных на такие основания, неизбежно возникают отраженные трещины, копирующие трещины в основаниях. Наилучшими показателями трещиностойкости обладают покрытия на щебеночных основаниях, выполненных по способу заклинки.
Для повышения трещиностойкости асфальтобетонного покрытия на основаниях из щебня, укрепленного цементом, и цементобетона, то есть для препятствия появлению отраженных трещин используют трещинопрерывающие прослойки между нижним и верхним слоем основания и армирующие прослойки между слоями асфальтобетонного покрытия. В качестве трещинопрерывающих прослоек используются геотекстильный материал, приклеиваемый к нижнему слою основания менее вязким битумом и более вязким битумом к верхнему слою основания.
В качестве армирующих прослоек используются геосетки, приклеиваемые вязким битумом к нижнему и верхнему слоям асфальтобетонного покрытия.
При ремонте и реконструкции автомобильных дорог, в покрытии которых проявились отраженные трещины, перед укладкой дополнительных слоев покрытия над трещиной укладывается трещинопрерывающая прослойка из геотекстиля.
Составы асфальтобетонных смесей, применяемые в различных эксплуатационных условиях. Проектируя состав асфальтобетонных смесей, необходимо прежде всего учитывать ожидаемую интенсивность и состав движения, также климатические условия района проложения дороги. При этом руководствуются следующими принципиальными положениями:
чем больше в смеси щебня, тем больше сдвигоустойчивость асфальтобетона. В южных районах России и районах с резко континентальным климатом при любой интенсивности движения, а в средней полосе России и в районах с континентальным климатом при тяжелом и интенсивном движении предпочтение следует отдавать применению смесей с высоким содержанием щебня;
чем меньше вязкость битума, тем больше трещиностойкость асфальтобетона, поэтому на Севере и в районах с резко континентальным и континентальным климатом предпочтительнее применение битумов пониженной вязкости, а на юге — более вязких.
Наиболее эффективным и доступным средством регулирования плотности и прочности асфальтобетона является изменение содержания в нем минерального порошка в пределах, предусмотренных ГОСТ 9128-97.
Оптимальное количество битума в асфальтобетонной смеси определяют на основе испытаний пробных составов смесей с различным количеством битума и выбора такого его содержания, при котором обеспечивается наибольшая прочность асфальтобетона и остаточная пористость, нормированная стандартом.
Проектирование состава асфальтобетона состоит из двух этапов.
1 этап: назначение типа смеси из числа нормированных в ГОСТ 9128-97 (см. табл. 1);
выбор марки битума нормированного в ГОСТ 9128-97 (см. табл. 18.3) с учетом данных ГОСТ 22245-90 (см. табл. 18.9) и климатических условий региона применения асфальтобетона по СНиП 2.05.02 -85 и СНиП 23-01-99 (см. табл. 8);
выбор содержания минеральных материалов по ГОСТ 9128-97 (см. табл. 6) с проверкой расчетом соответствия зернового состава смеси выбранного типа требованиям данного стандарта; предварительный выбор содержания битума в смеси по таблице приложения Г ГОСТ 9128-97;
2 этап: проверка правильности выбора содержания битума производится на основе приготовления и испытаний 3-5 составов смесей по 24 образца в каждой (3 образца для определения каждого показателя табл. 7, нормируемых ГОСТ 9128-97). Испытания проводятся по ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний».
Источник