В дорожно-строительной практике многих государств Европейского Союза, США и некоторых других стран используются стандарты и другие нормативные документы [1-3], предусматривающие испытание асфальтобетона при циклическом нагружении, что в большей степени соответствует реальным режимам эксплуатации асфальтобетона.
В зависимости от свойств связующего и используемых модифицирующих добавок усталостная прочность различных составов асфальтобетонов может существенно различаться. При этом характеристики этих составов, определенные при квазистатическом нагружении, в соответствии с отечественным ГОСТом могут иметь сходные значения.
Целью настоящей работы является исследование влияния модифицирующей добавки «Афтисотдор» на усталостную прочность асфальтобетона.
Материалы и методы исследования
Для исследования усталостной прочности асфальтобетона была использована методика стандарта EC [2], предусматривающая проведение испытаний асфальтобетонных образцов цилиндрической формы. Применение этой методики было обусловлено возможностью использования образцов, предусмотренных отечественным стандартом для испытания асфальтобетона.
Из асфальтобетона формовались образцы диаметром 101 мм и выстой 100 мм, из которых вырезались цилиндрические образцы высотой 38-42 мм. Для изготовления образцов применялся асфальтобетон типа Б марки II. В качестве модифицирующей добавки использовалась добавка «Афтисотдор» на основе карбоновых кислот и смол растительного происхождения. Эта добавка является смесью поверхностно-активных веществ, обеспечивающих повышение адгезии битума к заполнителю. Прочность асфальтобетонов с добавкой и без добавки «Афтисотдор» при 20°С находилась в интервале 3,8-4,0 МПа при их испытании по ГОСТ [4].
Эксперимент проводился на испытательном комплексе для статических и динамических испытаний, сконструированном и изготовленном немецкой фирмой APS GmbH. Сервогидропривод этой установки позволяет создавать циклическую нагрузку до 50 кН с частотой до 100 Гц (рис. 1). Использование различной оснастки дает возможность реализовать на установке различные схемы нагружения образцов. В связи с тем, что свойства асфальтобетона зависят от температуры, в испытательном комплексе предусмотрена климатическая камера, обеспечивающая температуру от -40 до +60 °С.
Рис.
1. Испытательный комплекс для испытания асфальтобетона:
1 – испытательная машина; 2 – климатическая камера; 3 – оснастка для испытаний;
4 – блок контроллеров; 5 – блок управления; 6 – гидравлический блок;
7 – дистанционный пульт управления; 8 – управляющий компьютер
Испытания и обработка их результатов выполнялись в соответствии с методикой [3], которая используется в немецкой дорожно-строительной практике для оценки долговечности асфальтобетона и назначения толщины слоя асфальтобетона при проектировании и строительстве дорог. В соответствии с этой методикой испытание проводится на косвенное растяжение образца цилиндрической формы (рис. 2а) в специальной оснастке, помещенной в климатическую камеру. Образец подвергается повторяющемуся воздействию нагрузки в форме синуса (рис. 2б).
|
а) |
б) |
|
|
|
Рис. 2. Схема нагружения образца (а) и напряжения, возникающие в образце при
циклическом нагружении (б)
При оценке усталостной прочности асфальтобетона использовалось два критерия:
1) критерий, основанный на «энергетическом коэффициенте» ER(N);
2) критерий, основанный на двухкратном снижении модуля упругости после циклического нагружения.
Первый критерий рассчитывался следующим образом. В соответствии с методикой [3] определение количества циклов нагружения, вызывающих появление макротрещин NM, производится по критерию, который предложен Hopman и др. [5] и в соответствии с которым для каждого цикла рассчитывается «энергетический коэффициент» ER(N) = │E(N)│ · N, где │E(N)│ – модуль жесткости │E(N)│для N-го цикла нагружения, N – число циклов. Hopman и др. [5] считают, что предел работоспособности бетона достигнут, если ER(N) начинает снижаться (рис. 3).
Результаты исследования и их обсуждение
Сравнение результатов исследования показало, что начало появления макротрещин, зафиксированное по «энергетическому коэффициенту» и критерию, принятому в стандарте Европейского Союза [2] (двойное снижение начального модуля упругости или двойное увеличение начальной деформации) наступает при большем числе циклов нагружения асфальтобетона (см. рис. 3). Однако значения усталостной прочности, определенные по первому и второму критериям, достаточно близки.
Рис. 3. Изменение «энергетического коэффициента» (1), модуля упругости (2), упругих деформаций (3) под действием циклического нагружения асфальтобетона и начало образования макротрещин по различным критериям
На рис. 4 приводятся результаты определения количества циклов нагружения до появления макротрещин NM составов асфальтобетона без добавки и с добавкой модификатора. Появление макротрещины в образце определялось по критерию двойного снижения жесткости. Как уже было отмечено, при определении прочности асфальтобетона по квазистатическому режиму в соответствии с ГОСТ [4] эти составы имели равную прочность.
Рис. 4. Влияние уровня нагружения
на количество циклов до образования макротрещин
в образцах асфальтобетона без добавки (1) и с добавкой ПАВ (2)
Как видно из графиков, приведенных на рис. 4, усталостная прочность асфальтобетона при введении добавки ПАВ значительно возросла, что связано с повышением адгезии битума к заполнителю. Увеличение усталостной прочности при введении в смесь добавки зависит от максимального уровня напряжения в цикле нагружения. Положительное влияние добавки на свойства асфальтобетона проявилось только при циклическом нагружении, которое больше соответствует реальному режиму эксплуатации асфальтобетона по с равнению с режимом квазистатического испытания.
Выводы
Установлено, что модифицирующая добавка «Афтисотдор» за счет улучшения сцепления между битумом и заполнителем повышает усталостную прочность при циклическом нагружении асфальтобетона.
В связи с расширением использования в производстве асфальтобетона различных модифицирующих полимерных добавок, действие которых может проявляться при динамических режимах нагружения, целесообразно включить в ГОСТ [4] методику определения усталостной прочности, гармонизированную со стандартом Европейского Союза [2].
Выполнена в рамках государственной работы «Обеспечение проведения научных исследований»
Рецензенты:Демьянова В.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Инженерная экология» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.
Логанина В.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Управление качеством и технологии строительного производства» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.