2.4.3. Метод определения эластичности полимерасфальтобетона

Основное отличие ПБВ от битума определяется наличием, наряду с коагуляционным каркасом из асфальтеновых комплексов, структурной сетки из макромолекул полимера, что и приводит к высокой эластичности ПБВ.
Как было показано в разделе 2.2, высокая эластичность ПБВ проявляется в существенно более высокой долговременной прочности полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном.
Так число циклов до разрушения полимерасфальтобетона с применением ПБВ, содержащего 3,5% блоксополимера типа СБС марки Кратон D 1101 и 9% индустриального масла, в режиме постоянной амплитуды деформации 300 мкм/м при 10 °С составляет около 500000, асфальтобетона с применением вязкого битума марки В 80-10000, а полиме-расфальтобетона с применением ПБВ, содержащего 5% Кратона D 1101 без пластификатора – 20000 (рис. 24).
При 20 °С полимерасфальтобетон на ПБВ с пластификатором выдерживает 2000000 циклов, а без пластификатора – 15000 циклов при тех же режимах испытания (см. рис. 24).
Таким образом доказано, что число циклов нагружения до разрушения образцов полимерасфальтобетона в десятки раз больше, чем для асфальтобетона, а применение пластификатора в составе ПБВ позволяет увеличить число циклов до разрушения
в 130 раз по сравнению с полимерасфальтобетоном, приготовленным на основе ПБВ без пластификатора, даже при более высоком содержании полимера в нем.
Следовательно, работоспособность полимера в присутствии пластификатора выше.
Тем не менее, долговременная прочность определяется не только способностью к большим обратимым деформациям, но и вязкостью пленок вяжущего, то есть скоростью накопления необратимых деформаций.
Для выявления весомости вклада в процесс накопления необратимых деформаций каждого из факторов: вязкости и эластичности провели следующий эксперимент.
Приготовили бинарную смесь, моделирующую асфальтовяжущее, содержащую 60% минерального порошка и 40% вяжущего, путем простого перемешивания при 160 °С, залили в формы диаметром 2,6 см.
После охлаждения образцы выжимали из форм. Полученные цилиндрические образцы высотой h = 3,3 см и диаметром d = 2,6 см нагружали в воде 0,1 кг/см2 в течение 1 минуты, затем снимали нагрузку на 5 минут и снова нагружали. После каждого нагружения и каждого восстановления замеряли высоту h и диаметр d образца.
В таблице 22 приведены показатели свойств вяжущих (П25, Тразм, Э25), показатель эластичности образцов из бинарных смесей и изменение высоты Δh и диаметра образцов Δd, то есть необратимые деформации после 20 циклов нагружения – восстановления образцов.
Как видно из приведенных данных, ПБВ с оптимальным (3%) и более высоким (5%) содержанием полимера накапливают существенно меньшую необратимую деформацию, чем битумы, даже самые вязкие.

Таблица 22.
Значение показателей эластичности вяжущих и асфальтовяжущих
№ п/п Состав вяжущего П25 Тразм Э25, % Э25 ´ П25 Эпа, % Δh, см Δd, см εост = Δh+Δd, см Еост, кг/см2
1 БНД 40/60 45 60 0 0 0 1,2 0,8 2,0 0,165
2 БНД 60/90 68 49 0 0 2,5 1,8 0,8 2,6 0,127
3 БН 70/30 33 76 0 0 0 0,3 0,4 0,7 0,471
4 БНД 60/90 + 1% ДСТ 60 53 32 1920 33 1,3 0,5 1,8 0,183
5 БНД 60/90 + 1,5% ДСТ 52 55 38 1976 38 1,1 0,4 1,5 0,220
6 БНД 60/90 + 2,0% ДСТ 49 56 58 2842 47 0,9 0,2 1,1 0,300
7 БНД 60/90 + 3,0% ДСТ 46 58 84 3864 56 0,3 0,1 0,4 0,825
8 БНД 60/90 + 5,0% ДСТ 35 71 89 3115 75 0 0 0

Примечание: image256

На рис. 32 показано, что общая остаточная (необратимая) деформация (εост = Δh + Δd) образцов на битумах, независимо от их вязкости (пенетрации), всегда больше, чем для образцов на ПБВ.

 

image258
Рис. 32. Зависимость остаточной деформации
от вязкости битума и ПБВ:
• – Битум; х – ПБВ.

При этом доля обратимой (упругой) деформации (Δεэл), обусловленная наличием полимера и структурной сетки полимера, может быть определена как разность между εост (битума) и εост (ПБВ) для каждого значения П25, выраженная в % по отношению к εост (битума).
Так как для каждого ПБВ известна его эластичность Э25 (таблица 22), то представляется возможным получить зависимость Δεэл от Э25 вяжущего (рис. 33).

image260

Рис.33. Зависимость вклада эластичности вяжущего
в образовании остаточной деформации в образце
полимерасфальтовяжущего:
• – по П25; х – по Тразм,

Анализ данных, приведенных на рис. 29, показывает, что εэл образца увеличивается с повышением эластичности ПБВ, а при содержании полимера, достаточного для образования пространственной структурной сетки полимера в битуме, наблюдается увеличение
угла наклона этой зависимости, то есть Δεэл значительно больше зависит от Э25 при значениях Э25 более 80%.
Это свидетельствует о том, что повышение эластичности ПБВ на несколько процентов выше 80% позволит существенно повысить долговременную прочность покрытия, что особенно важно для дорог высоких категорий, так как модуль деформации Еост, а, следовательно, и упругость покрытия, будут резко возрастать. Это проиллюстрировано на рис. 34 и 35.
Для определения и регламентирования показателя, характеризующего способность полимерасфальтобетона к эластическим деформациям, а, следовательно, и его долговре-менную прочность, предложен простой метод, приемлемый для заводских лабораторий.
Метод заключается в определении числа циклов до разрушения стандартного образца полимерасфальтобетона – «семерки» под действием 0,5 от значения предела прочности при 50 °С.
Нагружение – 1 минута, отдых – 5 минут. Показатель назван показателем эластичности полимерасфальтобетона Э50, так как именно высокая эластичность ПБВ и обусловливает более высокую долговременную прочность полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном.

 

image262

 image264
Рис. 35. Взаимосвязь эластичности ПБВ и упругости
полимерасфальтовяжущего.

В таблице 23 приведены результаты испытания всех типов смесей, приготовленных на основе ПБВ всех марок.

Таблица 23.
Значения показателя эластичности (Э50)
полимерасфальтобетонов на разных марках ПБВ
№ п/п Марка вяжущего П25 Число циклов до разрушения
Плотный, типов смеси
А Б В Г Д
1 ПБВ 300 372 7 6 4 7 4
2 БНД 200/300 204 4 4 2 4 2
3 ПБВ 200 237 12 7 5 8 6
4 ПБВ 130 139 15 9 7 12 8
5 ПБВ 90 122 21 10 8 16 10
6 ПБВ 60 98 18 10 10 17 9
7 БНД 60/90 68 11 4 5 9 2
8 ПБВ 40 55 16 12 12 17 15

Как видно из приведенных данных, показатель Э50 для полимерасфальтобетона выше, чем для асфальтобетона на 50-80% при близких пенетрациях вяжущих.
На рис. 36 показано, что долговременная прочность полимерасфальтобетона снижается с увеличением пенетрации ПБВ, а для смесей типов А и Б наблюдается максимум при П25, равном соответственно 110 и 80.
В зависимости от типа смеси показатель Э50 может быть ранжирован по степени убывания в следующий ряд: А, Г, Б, Д, В.
Установлено, что наиболее высокое значение Э50 достигается при оптимальном со-держании ПБВ в смеси.

image272
Рис. 36. Влияние вязкости ПБВ на показатель эластичности
полимерасфальтобетона:
А, Б, В, Г, Д – типы смеси.

В результате проведенных исследований по данному разделу получены следующие результаты.
1. Установлена взаимосвязь между показателем эластичности ПБВ (Э25) и долговременной прочностью асфальтовяжущего и полимерасфальтовяжущего, в частности, накоплением остаточных деформаций в полимерасфальтобетоне при многократном воздейтвии нагрузки (εост). Показано, что при применении ПБВ значение εост ниже, чем при применении битума, особенно при наличии структурной сетки в ПБВ.
2. Показано, что чем выше показатель эластичности ПБВ, тем меньше εост в полимерасфальтовяжущем при 50 °С. При этом наибольший эффект в части повышения упру-гости полимерасфальтовяжущего наблюдается при наличии пространственной структур-ной сетки полимера во всем объеме ПБВ и особенно при значении Э25 более 80%.
3. Установлено, что эта закономерность сохраняется и при условии исключения влияния вязкости ПБВ на εост.
4. Определены показатели эластичности полимерасфальтобетонов (Э50) типов А, Б, В, Г, Д на полимерно – битумном вяжущем всех марок и для сопоставления для асфальтобетонов тех же типов на битумах марок БНД 60/90 и БНД 200/300.
5. Установлены нормы на значение показателя эластичности полимерасфальтобетонов Э50 всех типов полимерасфальтобетонных смесей в зависимости от типа смеси и марки ПБВ.
6. Показано, что на показатель эластичности полимерасфальтабетона Э50 наиболее существенное влияние оказывает условная вязкость ПБВ (марка) и содержание его в смеси.

7. Установлено, что наиболее высоким значением Э50 характеризуются полимерас-фальтобетоны с оптимальным содержанием ПБВ, особенно типов А, Г и Б.
8. Установлено, что Э50 в полимерасфальтобетонах и асфальтобетонах оптимальных составов значительно отличаются. Э50 в полимерасфальтобетонах в 1,5-1,8 раз выше, чем в асфальтобетонах при близких значениях пенетрации вяжущих.