2.2. Свойства полимерасфальтобетона и асфальтобетона

Сопоставление свойств полимерасфальтобетона и асфальтобетона

Особенности ПБВ проявляются в технологических и эксплуатационных свойствах полимерасфальтобетонных смесей.
Наибольшей уплотняемостью обладают смеси с применением ПБВ.
При этом оптимум работы уплотнения находится при более низких температурах, чем при применении как вязкого, так и разжиженного битума, то есть смесь хорошо уплотняется при пониженной температуре.
При этом получаем материал с несколько иной поровой структурой. Разность между остаточной пористостью и водонасыщением, которая характеризует объем замкнутых пор в смесях с ПБВ, на 20-30% больше, чем в случае применения битума, что следует из таблицы 12.
Полимерасфальтобетон удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к горя-чему асфальтобетону по ГОСТ 9128-97, и отличается повышенной деформативностью (о чем косвенно свидетельствует меньшая прочность при 0 °С), высокими прочностью при 50 °С, водо- и морозостойкостью.
Наиболее показательной характеристикой, позволяющей на основе стандартных показателей выявить отличие полимерасфальтобетона от асфальтобетона, является коэффициент температурной чувствительности. Полимерасфальтобетон значительно менее чувствителен к изменению температуры.

Таблица 12.
Показатели физико-механических свойств
полимерасфальтобетонов типа «Д»
п/ п Применяемое вяжущее Пористость минерального остова, % по объему Остаточная пористость, %по объему Объемный вес, г/см3 Водонасыщение, % по объему Набухание, % по объему Предел прочности при сжатии кг/см2 Коэффициент водостойкости Коэффициент морозостойкости Коэффициент температурной чувствительности
20 °С 50 °С 0 °С станд. 15сут. 25 циклов 50 циклов
Y W H R20 R50 R0 Kв К25 К50 R0/R50
1 Битум вязкий 19,9 4,3 2,30 2,6 0,1 34 13 75 0,88 0,75 0,75 0,62 5,76
2 Битум разжиженный 20,7 4,6 2,28 3,1 0,2 30 10 66 0,84 0,65 0,60 0,42 6,60
3 ПБВс2%ДСТ 19,9 4,2 2,30 2,1 0,2 36 16 70 0,93 0,80 0,85 0,74 4,37
4 ПБВ с 5%ДСТ 19,5 4,1 2,31 2,3 0,3 41 21 71 0,90 0,81 0,88 0,80 3,38

Деформативность асфальтобетона и полимерасфальтобетона исследовали как в статическом, так и в динамическом режимах нагружения.
Полимерасфальтобетон отличается большей деформативностью при минус 20 °С, чем асфальтобетон с применением битума, в том числе разжиженного, обладает большей теплоустойчивостью и упругостью при 20 °С как при малых, так и при больших временах действия нагрузки (табл. 13).

Таблица 13.
Свойства песчаного полимерасфальтобетона типа «Д»
Наименование показателя Время действия нагрузки, сек. Температура, °С Применяемые вяжущие
битум исходный битум разжиженный ПБВ с 2% ДСТ ПБВ с 5% ДСТ
Равновесный модуль +20 -20 1,09 36,5 0,77 8,5 1,57 5,92 3,1319,5
Модуль деформации 10  0,02 +20 -20 -20 0,24 18,3 133 0,16 4,7 32,5 0,363,4 22 0,96 9,4 50,5
Пластичность Р +20 -20 0,34 0,151 0,39 0,147 0,34 0,142 0,28 0,107
Наибольшая вязкость условно-неразрушенной структуры +20 -20 11,6 488 42 7,6 270 35 15,6 340 22 31,2 1300 42
Коэффициент старения αдо старения α после старения -20 1,76 1,73 1,39

Испытания, проведенные на механическом прессе МиП-100 в условиях динамического изгиба (скорость хода поршня 1200 мм/мин.), показали, что температура, при которой происходит хрупкое разрушение асфальтобетона, действительно значительно сдвигается в область отрицательных температур (при оптимальном содержании ДСТ – на 20 °С) (рис. 21).
При этом прочность полимерасфальтобетона на изгиб при положительных температурах выше, чем асфальтобетона.
Испытания песчаного полимерасфальтобетона типа Г на основе ПБВ с 2% ДСТ и асфальтобетона типа Г с применением разжиженного битума в диапазоне температур плюс 40 ÷ минус 20 °С проведены на установке для динамических испытаний, сконструированной в ХАДИ.
Испытания проведены под руководством В.А. Золотарева как в синусоидальном режиме в диапазоне частот 0,1-100 гц, так и в статическом режиме при изгибе.

image190

Рис. 21. Температурные зависимости прочности
при динамическом изгибе для песчаного асфальтобетона:
1 – • – разжиженный битум; 2 – О – исходный битум;
3 -х – ПБВ + 2% ДСТ; 4 – х – ПБВ + 5% ДСТ.

image192

Рис. 22. Температурные зависимости равновесного
модуля асфальтобетона типа Г:
1 – битум разжиженный; 2 – ПБВ с 2,5% ДСТ.
image194
Рис. 23. Температурные зависимости модулей упругости
полимерасфальтобетона и асфальтобетона:
1 и 2 – битум разжиженный; 3 и 4 – ПБВ 2,5.

Из рис. 22 и 23 видно, что полученные данные подтверждают большую деформативность асфальтобетона с применением ПБВ при отрицательной температуре (по сравнению с применением как вязкого, так и разжиженного битума) и одновременно большую упругость при положительной температуре, меньшую теплочувствительность и повышенную динамическую устойчивость.
Старение асфальтобетона с применением ПБВ оценивали по изменению его акустических показателей после прогрева.
За показатель старения принято отношение коэффициентов затухания звуковой волны в образцах-балочках (α) до и после прогрева при 120 °С в течение 40 часов.
Можно предполагать, что на макромолекулах ДСТ адсорбируется часть легких углеводородов из дисперсионной среды битума, тем самым, замедляя переход масел в смолы и об-разование асфальтенов.
Кроме того, меньшее количество открытых пор должно обусловливать меньший доступ кислорода к вяжущему. Совместное действие этих двух факторов обусловливает большую устойчивость асфальтобетона с применением ПБВ к старению (табл. 13).
В связи с тем, что в последние годы в качестве наиболее оптимального пластификатора для ПБВ предложено индустриальное масло, возникли опасения относительно сдвигоустойчивости полимерасфальтобетона.
Особенно остро обсуждался этот вопрос в процессе реконструкции МКАД. В связи с этим, учитывая, что для устройства верхнего слоя покрытия Союздорпроект предусмотрел применение полимерасфальтобетона типа А на основе вяжущего марки ПБВ 90/130, проведены исследования свойств асфальтовяжущего с одинаковым содержанием минерального порошка при соотношении порошок: вяжущее, равном 2:1 (табл. 14 и 15).
Как видно из представленных данных, ПБВ 90/130 характеризуется условным показателем вязкости, в 1,7 раза большим, чем битум более вязкой марки БНД 60/90 (табл. 14), а Тр вяжущего и асфальтовяжущего выше соответственно на 9 °С и 11 °С.

Таблица 14.
Показатели теплостойкости и вязкости битума, ПБВ и асфальтовяжущих
Наименование образца Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм Температура размягчения, °С Вязкость,при 60 °С, с
Битум БНД 60/90 + минеральный порошок 73
Битум БНД 60/90 68 49 603
ПБВ 90/130 + минеральный порошок 84
ПБВ 90/130 105 58 1054

 

Таблица 15.
Показатели упруго-вязко-пластических характеристик
асфальтовяжущего на основе битума и ПБВ при 50 °С
Наименование показателей Битум марки БНД 60/90 Полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ 90/130
Наибольшая пластическая (ньютоновская) вязкость η0 10-4, 8,5 54,0
Наименьшая пластическая вязкость ηm 101, 4,9 23,7
Динамический (бингамовский) предел текучести при сдвиге, РK2, Па 4,4 24,0
Равновесный модуль упругости Gm, Па при Р < РK2 139 463
Период релаксации напряжений η0/Gm, c 611 1166

Анализ реологических характеристик показывает, что вязкость и упругость асфальтовяжущего на основе ПБВ 90/130 выше в 5÷6 раз, чем на основе битума марки БНД 60/90, а прочность выше в три с лишним раза.
Рассмотренные данные позволяют предполагать значительно более высокую сдви-гоустойчивость полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном, что и подтвер-дилось после 9 лет эксплуатации полимерасфальтобетонного покрытия на МКАД.
Важнейшее значение для долговечной работы покрытия имеют усталостные свой-тва материала.
В рамках совместных работ ведущим сотрудником фирмы «Шелл» Вильямом Вонком проведены исследования усталостных свойств полимерасфальтобетонов на основе ПБВ 90/130, содержащего 3,5% блоксополимера типа СБС марки Кратон D 1101 и 9% масла марки И-40А, приготовленного в Союздорнии, ПБВ, содержащего 5% Кратона D 1101 без пластификатора, приготовленного на фирме «Шелл», и асфальтобетона на ос-нове вязкого битума марки В 80 (рис. 24).
Измерения проведены в режиме постоянной амплитуды деформации, наиболее близком условиям эксплуатации дороги.
Как видно из приведенных данных, число циклов до разрушения образца-балочки в случае ПБВ 90/130 в десятки раз выше, чем для асфальтобетона и полимерасфальтобетона на ПБВ без пластификатора.
В этой же лаборатории В. Вонком установлена взаимосвязь между наибольшей ньютоновской вязкостью η0 вяжущих (битумов и ПБВ) и колееобразованием асфальтобетонов и полимерасфальтобетонов равной плотности.

Shell – W. Vonk
Strain Vergelijk Soyuzdorni en B80

image204

1 – Soyuzdorni 10 °C; 2 – Soyuzdorni 20 °C; 3 – B80 blanco 10 °C; 4 – B80 + 5%D – 1101 10 °C; 5 – B80 + 5%D – 1101 20 °C
Рис. 24. Влияние амплитуды деформации на число циклов до разрушения образцов
асфальтобетона и полимерасфальтобетона.

На рис. 25 показано, что полимерасфальтобетоны характеризуются существенно большей устойчивостью к колееобразованию, чем асфальтобетоны, так как η0 ПБВ достигает таких высоких значений, которые недостижимы и не наблюдаются у дорожных битумов.
Тот факт, что η0 хорошо, практически функционально связана с устойчивостью покрытия к колееобразованию, позволяет заключить, что это свойство можно регулировать, увеличивая содержание полимера в ПБВ.

На рис. 26 приведены реологические кривые для песчаного асфальтобетона на битумах марок БН и БНД и полимерасфальтобетона на основе КОВ 60, содержавшего 4,2% ДСТ в гудроне.
Показано, что наличие эластичной структурной сетки даже в очень маловязкой системе приводит к тому, что ее истинная прочность РК2 при 50 °С существенно выше, чем у асфальтобетона на вязком битуме типа БНД.
При этом корреляционные зависимости, приведенные на рис. 27, между пределом прочности при одноосном сжатии при 50 °С R50 и РК2 свидетельствуют о том, что даже при низком РК2, например, равном 0,5 МПа, достигается высокий показатель РК2, равный 9,5 Па.
Такое значение РК2 для асфальтобетона на битумах марок БНД достигается при R50 = 1,25 МПа, а марок БН – 1,65 МПа.
Таким образом показано, что для обеспечения требуемой сдвигоустойчивости норма на показатель R50 для полимерасфальтобетонов может быть существенно снижена.

Shell – W. Vonk

The correlation between ti0 and rutting rate in the LTT as obtained
with different wearing courses of the same dense asphaltic
concrete, but with different binders, is shown in Figure 4
RUTTING RfTf, mm/10** wheel рмм □

image206

ZERO SHEAR VISCJSITY, Pa.s
Figure 4. Rutting rate in LTT vs. zero shear viscosity
of Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) aged binders.
Рис. 25. Взаимосвязь наибольшей ньютоновской вязкости
вяжущих и глубины колеи в асфальтобетоне
и полимерасфальтобетоне:
□ – битум;  – ПБВ.

image208