Было изучено влияние иранского гильсонита на устойчивость горячей асфальтовой смеси к образованию колей и усталостных трещин. Результаты испытаний модифицированного битума с гильсонитом, а также горячей асфальтовой смеси с содержанием гильсонита показали, что гильсонит способствует улучшению высокотемпературных и среднетемпературных свойств битума, а также повышению устойчивости к образованию колей и усталостных трещин модифицированной горячей асфальтовой смеси.

 

Ключевые слова: гильсонит, модифицированный битум, температурные свойства, устойчивость к образованию колей, усталостная прочность, горячая асфальтовая смесь.

ВВЕДЕНИЕ

Для прогнозирования характеристик покрытия, являющихся основой расчета, необходимо знать характер повреждения покрытия. Остаточная деформация или колееобразование и образование усталостных трещин — два основных вида повреждения асфальтобетонных покрытий. Данные повреждения приводят к уменьшению срока службы асфальтовых покрытий и увеличению эксплуатационных расходов. Было предложено много различных решений по улучшению устойчивости асфальтовых смесей к образованию колей и усталостных трещин, предусматривающих использование добавок к асфальтовому вяжущему. Несмотря на то, что массовая доля битума в горячей асфальтовой смеси крайне мала, он все же оказывает значительное влияние на устойчивость асфальтовых смесей к образованию колей и усталостных трещин.

В наше время для улучшения и изменения некоторых свойств битума используется большое количество минеральных, органических, природных и искусственных добавок (Бардеси, Брюль и др., 1999 г.). Однако специфические свойства определенного вида добавки не должны являться единственным критерием для выбора данной добавки. Существуют также и другие факторы, которые необходимо учитывать, такие как: экономические аспекты, производство модифицирующих добавок и экологичность.

Серьезные работы были проведены по исследованию битума, модифицированному полимером. Данные исследования показали, что полимер улучшает свойства битума при низких, средних и высоких температурах (Хатак и Балади, 2001 г., Сенгоз и Лсикьякар, 2008 г., и Иылдирим, 2007 г.).

Гильсонит, который в соответствии с классификацией модифицирующих добавок для битума относится к гидрокарбонатам (Бардеси, Брюль и др., 1999 г.), является смолистым углеводородом, который был оценен и использовался в различных промышленных целях (Дэвис и др., 1989 г.). Добавление гильсонита к битуму способствует увеличению вязкости битума и уменьшению его проницаемости. Результатом такого добавления является получение модифицированного битума более высокой твердости. Как правило, при строительстве покрытий гильсонит может использоваться двумя способами: заблаговременное добавление гильсонита к битуму или добавление гильсонита к заполнителям во время предварительного смешивания компонентов на бетонном заводе (Бардеси, Брюль и др., 1999 г.). Исследование по применению гильсонита показало, что американский гильсонит способствует улучшению свойств битума при высоких температурах, в то время как при низких температурах он делает битум хрупким и создает подходящие условия для образования низкотемпературных трещин в покрытии (Андерсон и др., 1999 г.). Исследования иранского гильсонита показывают, что добавление гильсонита к битуму способствует улучшению свойств битума при высоких температурах (Амери и др., 2009 г.).

МАТЕРИАЛЫ

Для данной научно-исследовательской работы был выбран гильсонит, добываемый в шахтах провинции Керманшах (Иран). В Таблице 1 представлены физические свойства и результаты элементного анализа гильсонита. Предыдущее научное исследование показало, что добавление 12% гильсонита к битуму марки PG64-22 способствует улучшению свойств при средних и высоких температурах (Амери и др., 2009 г.). Поэтому в настоящей научной работе, посвященной исследованию свойств горячей асфальтовой смеси, битум марки PG64-22 был модифицирован путем добавления 12% гильсонита. В Таблице 2 представлены физические свойства битума марки PG64-22, использованного в данной научно-исследовательской работе.

В соответствии с рекомендациями Постоянной Международной Ассоциации Дорожных Конгрессов (Бардеси, Брюль и др., 1999 г.) порошкообразный гильсонит, используемый для модификации битума, должен быть просеян через сито № 50 (0,2 мм). На основании этого порошкообразный гильсонит был просеян через сито № 50 (0,2 мм) в количестве 12% от веса битума. Затем просеянный гильсонит был добавлен к битумной основе, которая была подогрета до 140°С и вымешивалась в бетономешалке на протяжении 150 минут при 150 оборотах в минуту. Потом температура вымешивания была увеличена до 180°С, и процесс вымешивания длился еще 30 минут при 4500 оборотах в минуту до образования однородной смеси гильсонита с битумной основой.

Заполнители для горячей асфальтовой смеси были получены из восточной части Тегерана. В Таблицах 3 и 4 представлены свойства заполнителей, используемых в данной научно-исследовательской работе. Подбор гранулометрического состава заполнителей осуществлялся в соответствии с типом 4 иранского кода асфальтового покрытия автомагистралей (IHAPC, 2002 г.). На Рисунке 1 представлена кривая подбора гранулометрического состава заполнителя.

Таблица 1. Физические свойства и результаты элементного анализа гильсонита, добываемого в Керманшахе

Таблица 2. Физические свойства битума

Таблица 3. Физические свойства заполнителей

Таблица 4. Удельная плотность и водопоглощение заполнителя

Рисунок 1. Подбор гранулометрического состава заполнителей

ПОДГОТОВКА И ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦОВ

Для определения оптимального содержания битума в горячей асфальтовой смеси проводились испытания по методу Маршалла (ASTM D1559). Для изготовления образцов горячей асфальтовой смеси использовались асфальтовое вяжущее вещество и комбинация асфальтового вяжущего вещества с 12% гильсонита. С целью исследования влияния гильсонита на среднетемпературные и высокотемпературные свойства модифицированного битума были проведены испытания реометром динамического сдвига и реометром изгибания бруска. Основываясь на предыдущей научно-исследовательской работе (Амери и др., 2009 г.), данные испытания были выполнены на образцах немодифицированного и модифицированного битума с 12% гильсонита.

Испытания реометром динамического сдвига проводились при частоте 10 рад/с (1,6 Гц) при высоких (46-82°С) и средних (13-31°С) температурах для контроля остаточной деформации при высоких температурах и образования усталостных трещин при средних температурах соответственно. В результате испытания были получены параметры G* и d. В соответствии с рекомендациями ASTM D2872 по контролю остаточной деформации (колееобразования), G*/Sind для несостаренного битума и битума, состаренного в печи (после испытания на укатывание тонкой пленки в печи), при высокой температуре должно быть больше 1 и 2,2 кПа соответственно (Хаттак и Балади, 2001 г.). Что касается контроля образования усталостных трещин, G*/Sind для состаренного битума, полученного после испытания на укатывание тонкой пленки в печи и испытания в герметичной емкости под давлением, должен быть меньше 5000 кПа (ASTM-D2872, 1997 г.). Как правило, в дополнение к существующим требованиям к высоким (ВТ) и низким (НТ) эксплуатационным температурам имеются также требования к максимально допустимой жесткости при средней температуре (СТ) для предотвращения образования усталостных трещин. Соответственно, при средней эксплуатационной температуре, равной , G*/Sind должно быть меньше 5000 кПа (ASTM-D6521, 2003 г.).

Было проведено испытание горячей асфальтовой смеси, содержащей немодифицированный битум, и смеси, содержащей модифицированный битум с 12% гильсонита, на ударную вязкость в соответствии с ASTM-D4123. Частота нагружения составляла 1 Гц (с длительностью нагрузки  и периодом покоя 0,1 с и 0,9 с соответственно). Данное испытание проводилось при 5°С и 25°С.

Устойчивость горячей асфальтовой смеси к образованию колей была измерена при помощи устройства для испытания колесной нагрузкой (Рисунок 2). Диаметр и ширина нагруженного колеса равнялись 20 и 5 сантиметрам соответственно. Образцы были прокатаны вращающимся колесным уплотнителем, имеющим следующие размеры: 300 х 300 х 500 мм. Образцы были погружены в воду с температурой 50°С. Величина нагрузки и количество циклов нагружения колесом были равны 705 Н и 50 циклам в минуту соответственно.

Существуют несколько методов проведения испытаний на усталость. В данной научно-исследовательской работе был использован брусок, к которому в четырех точках прилагалась нагрузка (Рисунок 3). В соответствии со стандартом AASHTO T321 образцы должны иметь следующие размеры: 380 х 63,5 х 50,8 мм. Образцы, подготовленные для проведения испытаний на усталость, были прокатаны вращающимся колесным уплотнителем. Тип нагружения: с постоянной скоростью деформации. Температура испытания: 20°С.

Рисунок 2. Испытание на колееобразование  при помощи устройства для испытания колесной нагрузкой

Рисунок 3. Испытание на усталость с приложением нагрузки в четырех точках

ИСПЫТАНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЯ

В Таблице 5 представлены результаты испытания по методу Маршалла, проведенного на немодифицированных и модифицированных горячих асфальтовых смесях.

В соответствии с данными, представленными в Таблице 5, добавление гильсонита способствует улучшению состава битума. Кроме того, по сравнению с немодифицированной модифицированная горячая асфальтовая смесь обладает большей устойчивостью и может выдерживать большую поперечную деформацию, что может служить доказательством того, что модифицированная горячая асфальтовая смесь – более эластична, чем немодифицированная.

Таблица 5. Результаты испытаний по методу Маршалла

ВЛИЯНИЕ ГИЛЬСОНИТА НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ ГОРЯЧЕЙ АСФАЛЬТОВОЙ СМЕСИ

В соответствии с результатами испытаний на ударную вязкость, представленными на Рисунке 4, модифицированная горячая асфальтовая смесь обладает более высокой ударной вязкостью. При проектировании покрытия ударная вязкость рассматривается, как одно из основных свойств материала. Материалы с большей ударной вязкостью считаются более подходящими, поэтому, можно сделать вывод, что гильсонит способствует улучшению качества горячей асфальтовой смеси и, следовательно, эксплуатационных характеристик покрытия.

Рисунок 4. Влияние гильсонита на ударную вязкость горячей асфальтовой смеси

ВЛИЯНИЕ ГИЛЬСОНИТА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЯЧЕЙ АСФАЛЬТОВОЙ СМЕСИ К КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЮ

Как видно на Рисунках 5 и 6, модифицированный битум обладает более высоким G*/Sind  до и после подвержения старению. Поскольку G*/Sind является показателем высокотемпературных свойств битума, можно сделать вывод, что добавление гильсонита способствует улучшению устойчивости горячей асфальтовой смеси к воздействию высокой температуры и колееобразованию.

На Рисунке 7 показана зависимость глубины колеи от количества проходов колеса во время испытания колесной нагрузкой. При испытании на остаточную деформацию на графике изменения остаточной деформации в зависимости от числа повторений нагрузок видны три основные зоны. Первая зона представляет собой отрезок, на котором скорость изменения остаточной деформации уменьшается в процессе нагружения. Вторая зона представляет собой отрезок, на котором скорость изменения остаточной деформации не изменяется в процессе нагружения.  И наконец, третья зона представляет собой отрезок, на котором скорость изменения остаточной деформации увеличивается в процессе нагружения (Витзак и др., 2008 г.).

Третья зона не была отмечена ни у одного из образцов, протестированных на устройстве для испытаний колесной нагрузкой. В соответствии с Рисунком 7 при одинаковом количестве проходов колеса величина глубины колеи в образце из модифицированной горячей асфальтовой смеси меньше величины глубины колей в образцах из немодифицированного битума. Например, величина глубины колеи в образце из немодифицированной и модифицированной горячей асфальтовой смеси при 10000 проходов составляет порядка 2,5 и 1,5 мм соответственно. Кроме того, скорость увеличения глубины колеи в образце из модифицированной горячей асфальтовой смеси (в первой и второй зонах) меньше скорости увеличения глубины колеи в образце из немодифицированной горячей асфальтовой смеси.

ВЛИЯНИЕ ГИЛЬСОНИТА НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ  ГОРЯЧЕЙ АСФАЛЬТОВОЙ СМЕСИ

Результаты испытаний, представленные на Рисунке 6, показывают, что модифицированный битум с добавлением 12% гильсонита имеет более высокое G*.Sind. Поскольку G*.Sind является показателем среднетемпературных свойств битума, можно сделать вывод, что добавление гильсонита не способствует улучшению устойчивости битума к воздействию средней температуры. Однако в соответствии с результатами, представленными на Рисунке 7, усталостная долговечность модифицированной горячей асфальтовой смеси больше усталостной долговечности немодифицированной горячей асфальтовой смеси.

Рисунок 5. Изменение G*/Sind немодифицированного битума и модифицированного битума с добавлением 12% гильсонита до подвержения старению

Рисунок 6. Изменение G*/Sind немодифицированного битума и модифицированного битума с добавлением 12% гильсонита после подвержения старению

Рисунок 7. Зависимость глубины колеи от количества проходов колеса по образцу из немодифицированной и модифицированной горячей асфальтовой смеси

Рисунок 8. Изменение G*.Sind немодифицированного битума и модифицированного битума с добавлением 12% гильсонита после подвержения старению

Рисунок 9. Усталостная долговечность немодифицированной и модифицированной горячей асфальтовой смеси

5 — Выводы

 

В соответствии с результатами испытаний, представленными в данном документе, были сделаны следующие выводы:

  • Результаты испытаний по методу Маршалла показали, что модифицированная горячая асфальтовая смесь обладает большей устойчивостью по сравнению с немодифицированной и может выдерживать большую поперечную деформацию.
  • Модифицированный битум с гильсонитом способствует повышению ударной вязкости горячей асфальтовой смеси.
  • Модифицированный битум с гильсонитом имеет большее G*/Sind до и после подвержения старению.
  • Гильсонит способствует улучшению высокотемпературных свойств битума и повышению устойчивости горячей асфальтовой смеси к колееобразованию.
  • Результаты испытаний показали, что модифицированная горячая асфальтовая смесь с 12% гильсонитом имеет большее G*.Sind.
  • Положительное влияние гильсонита на усталостную долговечность горячей асфальтовой смеси должно быть исследована более подробно, поскольку результаты испытания реометром динамического сдвига и испытания на усталость  противоречивы.