Щебеночно-мастичный асфальтобетон

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МАДИ)

Кафедра «Строительные материалы»

РЕФЕРАТ

на тему: Щебеночно-мастичный асфальтобетон

МОСКВА

Содержание

Введение

Общие сведения

Особенности структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона

Физико-механические свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона

Особенности национальных стандартов на материал

Литература

Введение

В России за последние 10 лет при устройстве покрытий дорог с высокой грузонапряженностью находит все более широкое применение щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Популярность этого материала обусловлена его специфическими транспортно-эксплуатационными показателями, включая комфортабельные и безопасные ездовые качества, сопротивляемость внешним воздействиям, стабильность и долговечность слоя и пр.

Столь резкому увеличению объемов способствовали положительные заключения авторитетных комиссий из представителей ДСД «Центр», «Центр-дорконтроль», ФГУП «Союздорпроект», ФГУП «Союздорнии», АО «Центро-дорстрой» и др., подтверждающие технологические и эксплуатационные преимущества покрытий из ЩМА в сравнении с традиционными асфальтобетонами. Выводы о хорошем состоянии покрытий из ЩМА были сделаны на основании результатов регулярных обследований состояния автомагистралей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

С учетом положительного опыта Росавтодором РФ принято решение о расширенном применении щебеночно-мастичного асфальтобетона на федеральных дорогах России при условии обязательного научно-технического сопровождения строительства. За истекший период накоплен богатый зарубежный и отечественный опыт применения щебеночно-мастичных асфальтобетонов при устройстве верхних слоев дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. В настоящем реферате отражены наиболее важные аспекты этого весьма перспективного направления развития дорожной технологии.

Общие сведения

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) - это горячая асфальтобетонная смесь, состоящая из щебеночного каркаса, в котором все пустоты между крупным щебнем заполнены смесью битума с дробленым песком и минеральным порошком. Основное отличие ЩМА от обычных асфальтобетонов заключается в его жёсткой каркасной структуре в слое покрытия. Такая структура обеспечивает передачу нагрузки с поверхности в нижележащие слои через непосредственно контактирующие друг с другом отдельные крупные частицы каменного материала. Тем самым достигается существенное снижение деформаций слоя покрытия как в продольном, так и в поперечном направлениях. В ЩМА основную структуру составляет крупный щебень, а мелкий служит только для образования мастики, заполняющей межкаменное пространство в щебеночном каркасе. При этом объем незаполненного пространства составляет не более 3...5%.

ЩМА представляет собой самостоятельную разновидность асфальтобетонов, одновременно обеспечивающую водонепроницаемость, сдвигоустойчивость и шероховатость устраиваемого покрытия. В отличие от асфальтобетонных смесей по ГОСТ 9128-97 ЩМА характеризуется повышенным содержанием щебня и битума (до 80 % и 7,5 % по массе соответственно) с остаточной пористостью до 1 %. Для удержания на поверхности щебня такого количества свободного битума, в особенности на стадии производства работ, необходимо обязательное присутствие в смеси стабилизирующих волокнистых добавок. Процесс приготовления и укладки ЩМА технологичен и не требует специального оборудования за исключением агрегата подачи и дозирования добавки. Оригинальный компонентный состав позволяет укладывать материал механизированным способом тонкими слоями, снижая удельный расход смеси на квадратный метр покрытия. Поэтому в сравнении с традиционными асфальтобетонами ЩМА становится рентабельным, хотя и готовится из более дорогого исходного сырья. Безусловным достоинством ЩМА к тому же является низкий уровень расходов по ремонту и содержанию покрытия. Щебеночно-мастичный асфальтобетон впервые был разработан в середине 1960-х годов в Германии и получил название «Splittmastixasphalt» (SMA), соответственно в английской транскрипции - «Stone Mastic Asphalt» и в американской - «Stone Matrix Asphalt». Он появился как следствие борьбы дорожных служб с интенсивным разрушением дорожного полотна и колее образованием

на дорогах в связи с ростом автомобильного движения. В 1984 году на применение SMA введен национальный стандарт. В России первые опытные участки с покрытиями из ЩМА появились в 2000 году на дорогах М-4 «Дон», М-1 «Беларусь».

Особенности структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона

щебеночный мастичный асфальтобетон стандарт

В структурном отношении щебеночно-мастичный асфальтобетон отличается от других типов смесей на столько, что его относят к самостоятельной группе дорожно-строительных материалов. Принципиальное различие обнаруживается уже на макро- и микроструктурном уровне при формировании минерального остова асфальтобетона. В частности, если подбор зернового состава традиционных асфальтобетонов основан на принципе плотных смесей, т.е. получении наибольшей плотности материала после его уплотнения, то в ЩМА это правило не действует. На рис. 1 показано, что кривые зернового состава минеральной части ЩМА существенно отклоняются от аналогичных кривых для плотных смесей.

Рис. 1

Сравнение зерновых составов ЩМА с плотным асфальтобетоном тип А и высокоплотным асфальтобетоном по ГОСТ 9128 -97:

1 - плотный асфальтобетон тип А; 2 - высокоплотный асфальтобетон; 3 - щебеночно-мастичный асфальтобетон.

Вторая отличительная черта ЩМА от обычного асфальтобетона заключается в ужесточении допуска на размер применяемого щебня. Это обусловлено наличием в щебеночном скелете большого объема пустот, заполняемых битумной мастикой. В свою очередь мастика готовится на основе зерен крупностью до 2,5 мм с содержанием минерального порошка в пределах 8-13 %. Каркас или макроструктуру смесей составляет фракционированный (одномерный) щебень кубовидной формы размером 5-10 мм, 10-15 мм или 15-20 мм в количестве 70-80 % по массе. Именно наличие в зерновом составе двух составляющих позволяют ЩМА одновременно обеспечивать оптимальную плотность, повышенную шероховатость поверхности и низкую водонепроницаемость слоя

а)

б)

Рис.2

Текстура поверхности асфальтобетона: а) - плотный асфальтобетон; б) - щебеночно-мастичный асфальтобетон.

При проектировании смесей следует стремиться к тому, чтобы макро-уровневая составляющая (крупная, промежуточная и часть мелкой) была представлена узкими фракциями щебня и частично отсевами дробления, подобранными по принципу непрерывной гранулометрии. За счёт жёсткой пространственной системы, когда зёрна щебня имеют между собой непосредственный контакт, проявляется повышенная сдвигоустойчивость ЩМАС и устойчивость против образования колеи (см. рис. 3), вследствие чего они рекомендуются для применения в условиях тяжёлого и интенсивного движения автомобилей.

а) б)

Рис. 3

Схема передачи колесной нагрузки: а) - асфальтобетон по ГОСТ 9128 -97; б) - щебеночно-мастичный асфальтобетон.

Физико-механические свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона

Для лучшего понимания структурных особенностей ЩМА произведено экспериментальное сравнение его физико-механических свойств со свойствами плотного асфальтобетона типа А и высокоплотного асфальтобетона (ВПА), наиболее часто применяемых в России в подобных дорожных условиях. Каркасный асфальтобетон типа А используют на дорогах для повышения сдвигоустойчивости и шероховатости покрытий с 1967 года. В соответствии с последней редакцией ГОСТ 9128 его минеральная часть содержит 50-60 % щебня крупнее 5 мм, а количество минерального порошка ограничено пределами 4-8 % по массе. Высокоплотный асфальтобетон разрабатывался с целью одновременного повышения сдвигоустойчивости, водо- и морозостойкости покрытий. Он включает 55-65 % щебня, необходимого для создания каркаса, мелкий песок и минеральный порошок в количестве 10-16 %. Зерновые составы сопоставляемых асфальтобетонных смесей с максимальной крупностью зерен 15 мм приведены на рис. 4.

Рис 4. Зерновые составы сопоставляемых асфальтобетонов

Для оптимизации показателей физико-механических свойств каждого асфальтобетона смеси готовили при различном содержании битумного вяжущего с шагом варьирования 0,5 % от массы минеральной части. В результате лабораторных испытаний образцов было установлено следующее. Пористость минерального остова ЩМА оказалась выше, чем у асфальтобетона типа А и значительно выше ВПА. При этом плотный и высокоплотный асфальтобетоны подчиняются известному правилу створа, обнаруживая оптимальное содержание битумного вяжущего при минимальных значениях пористости минерального остова. ЩМА, напротив, характеризуется ростом содержания вяжущего в смеси от 5 до 6,5 % пропорционально увеличению пористости минерального остова с 16 до 18 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание вяжущего, %

Рис. 5. Зависимость пористости минерального остова асфальтобетонов от содержания вяжущего

Остаточная пористость всех асфальтобетонов имеет общую тенденцию к снижению по мере увеличения количества битума (см. рис. 6). Однако у ЩМА этот процесс выражен намного слабее, чем у типа А или ВПА. В частности, при изменении содержания битума в смеси на 1 % остаточная пористость изменяется на 5 % у высокоплотного, на 3 % у плотного, а у щебеночно-мастичного асфальтобетонов всего на 1 %. Аналогично изменяются и показатели водонасыщения асфальтобетонов - увеличение количества вяжущего на 1 % вызывает снижение водонасыщения на 3 % у асфальтобетона типа А и на 1 % у образцов из ЩМА.

Рис.6. Зависимость остаточной пористости асфальтобетонов от содержания вяжущего

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тип А

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЩМА

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВПА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полученные результаты свидетельствуют о том, что структура ЩМА ориентирована на раздвижку минерального остова и присутствие в уплотненном материале слабоструктурированного и объемного битума. Более толстые пленки асфальтового вяжущего, с одной стороны, приближают ЩМА по свойствам к литому асфальтобетону. В то же время по степени структурирования битума минеральным порошком, содержанию щебня и поровой структуре эти составы не сопоставимы. Показатели прочности при сжатии у щебеночно-мастичного асфальтобетона оказались самыми низкими (см. рис.7). Независимо от содержания вяжущего прочность ЩМА также не подчиняется правилу створа, и характерные для обычных асфальтобетонов пики на кривой ЩМА отсутствуют. При этом если максимум прочности у высокоплотного асфальтобетона обнаруживается при остаточной пористости 2,5 %, у асфальтобетона типа А - при 3,5 %, то у ЩМА он не проявляется во всем регламентируемом диапазоне значений остаточной пористости остаточной пористости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.Зависимость прочности при сжатии от остаточной пористости асфальтобетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тип А

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЩМА

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВПА

Сцепление при сдвиге при температуре + 50 °С и коэффициент внутреннего трения. Подобные зависимости были установлены для показателя когезионного сцепления асфальтобетонов, представленные на рис. 8. Этот показатель у щебеночно-мастичного асфальтобетона также значительно ниже, чем у асфальтобетона типа А. Сцепление ЩМА при сдвиге неуклонно снижается по мере повышения содержания вяжущего от 5 до 6,5 % и экстремум этой зависимости также отсутствует. Присутствие объемного битума в ЩМА способствует увеличению его пластической деформативности при растяжении, но в то же время приводит к резкому снижению когезионной прочности материала, особенно при положительных температурах. Аналогичные данные были получены и за рубежом. Например, на графиках зависимостей относительной жесткости от остаточной пористости асфальтобетонов экстремум, характерный для других видов смесей, у ЩMA не обнаружен. Исходя из высоких требований к сдвигоустойчивости дорожных и аэродромных покрытий, низкий показатель когезионного сцепления щебеночно-мастичного асфальтобетона при сдвиге должен компенсироваться высоким и стабильным внутренним трением минерального остова. Именно это условие было принято за основу при обосновании требований к стандартным показателям физико-механических свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов, в том числе к пределу прочности при сжатии при температуре 50 °С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Зависимость сцепления асфальтобетонов при сдвиге от содержания полимерно-битумного ПБВ-90

При правильно подобранном составе щебеночно-мастичный асфальтобетон обладает устойчивым минеральным составом, который формируется на основе одномерного кубовидного щебня. На рис. 9 представлены экспериментальные данные о внутреннем трении асфальтобетонов различных типов. Если у асфальтобетона типа А коэффициент внутреннего трения постоянно и существенно снижается по мере увеличения содержания вяжущего, то у щебеночно-мастичного асфальтобетона он практически не зависит от содержания вяжущего и значительно выше по абсолютному значению. Таким образом, структура ЩМА оптимально сочетает максимальную жесткость в условиях трехосного сжатия и сдвига и, одновременно, максимальную податливость и высокую деформативность материала при растяжении. Исходя из условий напряженно-деформированного состояния дорожных покрытий при эксплуатации, эти два противоположных качества асфальтобетона особенно важны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Зависимость внутреннего трения от содержания вяжущего

Особенности национальных стандартов на материал

Многолетние исследования немецких специалистов позволили выработать действующие в настоящее время технические требования к смесям и асфальтобетону типа SMA (см. табл. 1).

Требования к щебеночно-мастичному асфальтобетону по нормам ZTV Asphalt-StB 94 (Германия)

Т а б л и ц а 1

В большинстве стран смеси ЩМА маркируют по максимальной крупности зерен щебня. В проекте европейских норм prEN 13108-6 на щебеночномастичный асфальтобетон представлен практически весь диапазон смесей по крупности, который применяется в настоящее время в дорожном строительстве. В табл. 2 сведены узаконенные в технических стандартах действующие марки смесей ЩМА.

Сведения о применяемых смесях ЩМА в различных странах

Т а б л и ц а 2

В процессе проектирования составов SMA, как правило, ориентируются на нормы остаточной пористости образцов, изготовленных для испытания по методу Маршалла. Однако в последнее время наметилась тенденция перехода на формование образцов в приборах вращательного уплотнения. Так, нормы к остаточной пористости образцов по Маршаллу применяются в спецификациях Германии, Венгрии, Испании, Италии, Нидерландов, Норвегии, Чехии, Индонезии и др. Требования к показателям устойчивости по Маршаллу, условной пластичности и условной жесткости предъявляются в Чехии, Италии, Норвегии и Индонезии. Численные значения нормируемых показателей свойств ЩMA по Маршаллу приведены в табл. 3.

Требования к показателям свойств ЩMA по Маршаллу

Т а б л и ц а 3

В России оптимальные составы ЩМА регламентированы государственным стандартом ГОСТ 31015-2002 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия», разработчиком которого является ФГУП «Союздорнии». Разработке технических условий предшествовали масштабные исследования по выявлению специфики структуры ЩМА, обоснованию комплекса требований к компонентному составу и физико-механическим свойствам композита с учетом климатических условий и нормативной базы России. Согласно ГОСТ 31015-2002 в зависимости от крупности применяемого щебня щебеночно-мастичные смеси подразделяются на следующие виды:

ЩМА-20 - с наибольшим размером зерен до 20 мм. ЩМА-15 - с наибольшим размером зерен до 15 мм; ЩМА-10 - с наибольшим размером зерен до 10 мм.

Соответственно указанные смеси рекомендуется применять на автомобильных дорогах любых технических категорий и городских улицах в I - V дорожно-климатических зонах для устройства верхних слоев покрытий толщиной:

ЩМА-20 - от 4.0 до 6,0 см; ЩМА-15 - от 3.0 до 5,0 см; ЩМА-10 - от 2.0 до 4, 0 см.

Зерновой состав минеральной части ЩМА представлен в табл. 4, где обязательные требования по контрольным ситам выделены жирным шрифтом.

Требования к зерновым составам ЩМА

Т а б л и ц а 4

При этом требования к зерновым составам смесей ЩМА-10, ЩМА-15 и ЩМА-20 по ГОСТ 31015-2002 согласуются с Европейскими нормами prEN 13108-6 для соответствующих марок D8, D11 и D16, как показано на рис. 10. Следует отметить, что зерновой состав щебня по Европейским нормам определяется на грохотах с квадратной формой отверстий, а в России - с круглой. При необходимости соответствующего перевода значений можно воспользоваться данными табл. 5, либо расчетной формулой (1), что особенно важно при введении поправки на стадии производства смесей с применением современных асфальтосмесительных установок:

Dr = Dkv x 1,25 мм . (Требования к показателям физико-механических свойств ЩМА представлены в табл. 6).

Рис. 10. Предельные кривые зерновых составов щебеночно-мастичных смесей по европейским и российским нормам

Соответствие применяемых отверстий решеток грохотов

Т а б л и ц а 5

Физико-механические свойства ЩМА

Т а б л и ц а 7

В соответствии со стандартом смеси должны выдерживать испытание на сцепление вяжущего с минеральной частью, быть однородными и устойчивыми к расслаиванию. Сцепление вяжущего с поверхностью минеральных зерен определяют по ГОСТ 12801. Однородность оценивают коэффициентом вариации показателей предела прочности на сжатие при температуре 50 °С, который должен быть не более 0,18. Устойчивость к расслаиванию определяется методом стекания вяжущего, основанном на оценке способности смеси удерживать битумное вяжущее при хранении в накопительных бункерах, транспортировании, загрузке и выгрузке. Сущность испытания заключается в определении оставшегося количества смеси на стенках стеклянного стакана после его опрокидывания (см. рис. 11). Критерием устойчивости к расслаиванию является показатель стекания вяжущего, предельное значение которого должно быть не более 0,20 % по массе пробы (рекомендуемые пределы показателя от 0,07 % до 0,15 %). При показателе стекания более 0,20 % увеличивают содержание стабилизирующей добавки на 0,05-0,1 % или снижают содержание битума в смеси.

Рис. 11. Схема испытания смеси на стекание вяжущего

Температура щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей (ЩМАС) при выпуске из смесителя и укладке должна соответствовать требованиям табл. 7.

Требования к температуре горячей щебеночно-мастичной смеси

Т а б л и ц а 7

Важнейшим элементом структуры ЩМА является щебень. Для приготовления смесей рекомендуется использовать щебень узких фракций 5-10, 10-15, 15-20 мм из плотных трудно шлифуемых горных пород по ГОСТ 8267. Допускается использовать щебень из металлургических шлаков по ГОСТ 3344, отвечающий соответствующим требованиям. По форме зерен применяемый щебень должен быть кубовидным и относиться к 1-й группе. Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы не должно превышать 15 %. Для получения качественного щебня с улучшенной формой зерен необходимо, как правило, применять специальные технологии его изготовления на соответствующем дробильно-сортировочном оборудовании. Марка щебня по дробимости в цилиндре должна быть не ниже М 1200 в случае изверженных и метаморфических горных пород, не ниже М 1000 - для осадочных горных пород и не менее М 1000 - для гравия и металлургических шлаков. Марка щебня по истираемости должна соответствовать И 1, а по морозостойкости - не ниже F 50. В качестве среднего заполнителя для приготовления ЩМАС следует применять песок из отсевов дробления горных пород, отвечающий требованиям ГОСТ 8736. Марка по прочности песка должна быть не ниже 1000, а содержание глинистых частиц, определяемых методом набухания, не превышать 0,5 %. При этом количество зерен мельче 0,16 мм не нормируется. Каменная мелочь из отсевов дробления, содержащаяся в песке, может быть использована в полном объеме при приготовлении ЩМАС взамен части минерального порошка. Минеральный порошок должен отвечать требованиям ГОСТ 52129-2003 «Порошок минеральный для асфальтобетонных и органоминеральных смесей. Технические условия.» Применяя активированный минеральный порошок, следует учитывать, что он может оказывать пластифицирующее действие, которое проявляется в снижении показателей сцепления при сдвиге и прочности при сжатии. Для приготовления щебеночно-мастичных смесей можно применять битумы нефтяные дорожные вязкие (БНД), отвечающие требованиям ГОСТ 22245, полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) по ГОСТ Р 52056-2003, а также другие битумные вяжущие, выпускаемые по технической документации, согласованной и утвержденной в установленном порядке. При выборе марки битума следует руководствоваться следующими рекомендациями. Условную вязкость, которая характеризует марку битумного вяжущего, рекомендуется выбирать в соответствии с данными табл. 8.

Рекомендации по выбору вязкости вяжущего для смесей ЩМА

Таблица 8.

При этом следует ориентироваться на образцы вяжущих, имеющих наиболее высокую адгезию с поверхностью применяемого щебня. При плохом сцеплении битума со щебнем рекомендуется вводить добавки активаторов или поверхностно-активных веществ, преимущественно катионного типа.

В условиях тяжелых транспортных нагрузок и экстремальных температур рекомендуется применять ЩМА на основе полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), особенно для устройства покрытий на мостах и городских улицах. Наиболее широкое применение в дорожном строительстве получили ПБВ с использованием модифицирующей добавки трехблочного сополимера типа «стиролбутадиен-стирол» (SBS) в количестве до 6-6,5 % от массы битума. Различная физико-химическая природа структурных блоков сополимера приводит к образованию самоорганизующейся трехмерной полимерной сетки в объеме ПБВ вследствие физической сшивки макромолекул полимера. За счет этого битумное вяжущее приобретает свойства, присущие эластомерам, что приводит к большей упругой деформативности, снижению хрупкости при низких температурах (до - 40 0С) и одновременно к повышению сдвигоустойчивости покрытия при высоких температурах эксплуатации (до + 70 0С).

При использовании добавок полимеров иногда допускается не вводить или снижать содержание стабилизирующей добавки в ЩМАС, если обеспечиваются требования к показателю стекания вяжущего и к другим показателям физико-механических свойств ЩМА, регламентируемых ГОСТом 31015-2002.

Литература

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» Кафедра автомобильных дорог. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. Нижний Новгород, 2009

Размещено на Allbest.ru