Растрескивание, не обусловленное нагрузкой

Из всех типов растрескивания, не обусловленного нагрузкой, значительный интерес для инженеров-дорожников представляет растрескивание при низкой температуре (45). Оно проявляется в виде поперечных усадочных трещин в HMA слое дорожного покрытия. Натурные исследования и измерения показали, что растрескивание начинается на поверхности, и, с течением времени, прогрессирует вглубь покрытия. Это происходит из-за того, что при низкой температуре окружающего воздуха сначала охлаждается поверхностный слой дорожного покрытия. Дорожные покрытия из HMA, испытывающие высокую скорость охлаждения и действие низких температур, развивают растягивающее напряжение, являющееся следствием усадки. Если величина этого напряжения превышает величину сопротивления разрыву HMA слоя, то образуется поперечная трещина. HMA смеси, которые при низких температурах, имеют высокое значение модуля упругости, более других подвержены растрескиванию. Жесткость смесей при низких температурах зависит преимущественно от жесткости битумного вяжущего. Следовательно, высокая жесткость битумного вяжущего, при низких температурах, является доминирующей причиной для этого типа растрескивания. Другие факторы, такие как: толщина HMA слоя и тип грунтового основания влияют на частоту появления трещин и их протяженность.

Лабораторные исследования, подкрепленные натурными измерениями, показывают, что консистенция битумного вяжущего, в основном в единицах пенетрации при 77°F (25°C), и температурная чувствительность (PI или PVN) являются основными свойствами асфальтового вяжущего, которые влияют на образование трещин при низких температурах. Увеличение пенетрации битумного вяжущего рассматривается в качестве параметра, необходимого для минимизации растрескивания, который напрямую регулируется разработчиком. Однако, необходимо тщательно подходить к выбору материала и избегать использования битумных вяжущих, которые обладают высокой температурной чувствительностью (поскольку битумные вяжущие могут становиться чрезвычайно жесткими при низкой температуре, независимо от исходного значения пенетрации). Таблица 2, в спецификации M226 AASHTO, для битумных вяжущих, классифицированных по вязкости, в целом содержит битумные вяжущие, характеризующиеся низкой жесткостью при низких температурах, в отличие от таблицы 1. Однако, таблица 2 является не пригодной для большинства северных штатов США и Канады. Чтобы регулировать температурную чувствительность и минимизировать или устранить растрескивание при низких температурах, необходимо разработать более точную спецификацию.

Многие исследователи, исходя из испытаний в условиях эксплуатации, рекомендовали применять предельные значения жесткости битумных  вяжущих (40, 46, 47) или HMA (48) в определенном температурном диапазоне. Департамент транспорта Пенсильвании в 1977 году внес изменения в таблицу 2 спецификации AASHTO для битумных вяжущих, классифицированных по вязкости, опираясь на предельное значение модуля жесткости, составлявшего 275 кг/см2 (3900 фунтов/кв. дюйм) при минимальной температуре дорожного покрытия -10°F (-23°C) и времени приложения нагрузки - 20000 секунд (47). Предельный модуль жесткости был установлен исходя из рабочих характеристик шести исследованных дорожных покрытий. На рисунке 2-35 приведены результаты по двум исследованным дорожным покрытиям со смежных участков дороги. На одном участке, в первую зиму, образовались протяженные поперечные трещины, а на другом трещин не было. Используя предельное значение жесткости 275 кг/см2 и номограмму МакЛеода (28) было определено минимальное допустимое значение PVN для разных показателей пенетрации. Задавая минимальное значение кинематической вязкости, определенное таким способ для каждого показателя пенетрации, было установлено, что значение PVN было не ниже допустимого значения.

Некоторые значения приводятся ниже:

Согласно приведенным данным, битумные вяжущие с высокой температурной чувствительностью могут применяться, если значение пенетрации увеличивается в соответствии с показателями, приведенными выше. При высоких значениях пенетрации, измеренных при 77°F (25°C), кривые температуры и вязкости смещаются сравнительно низко, так что показатель битумного вяжущего не превышает предельного модуля жесткости при -10°F (-23°C), не смотря на большой уклон (высокая температурная чувствительность) этих кривых.

Рисунок 2-35. Исследование дорожного покрытия на смежных участках дороги – полоса дороги на переднем плане имеет поперечные трещины, полоса дороги на заднем плане не имеет трещин (по Кэнделу, 47)

Испытания, проведенные на дороге Св. Анны в Канаде, являются единственным всесторонним полномасштабным проектом, описанным в литературе (49). Большинство исследователей обосновывали критическую жесткость битумных вяжущих при низких температурах, опираясь на данные, полученные в этом проекте (40). Экспериментальное дорожное покрытие Св. Анны начало растрескиваться, когда жесткость битумного  вяжущего составляла 1х10⁹ Н/м² (145000 фунтов/кв. дюйм) при времени нагрузки - 0,5 часов (что приблизительно эквивалентно 6х10⁸ Н/м² при времени нагрузки - 2 часа; 5х10⁸ Н/м² при времени нагрузки – 10000 с). Ридшоу (50) обосновал спецификации битумного вяжущего British Columbia исходя из критического значения жесткости битумного - 2х10⁸ Н/м² при времени нагрузки - 2 часа, значение полученное, во многом, благодаря данным по экспериментальной дороге Св. Анны. Фромм и Планг (46) предположил значение 1,4х10⁸ Н/м² (20000 фунтов/кв. дюйм) при времени 10000с в качестве критического значения критическая жесткость битумного вяжущего.

Го (40) рекомендовал составлять спецификации по низкотемпературным битумным вяжущим исходя из индивидуальной номографической температуры трещинообразования, установленной по рисунку 2-36. При этом значения характеристик должны быть сопоставимы с прогнозируемой минимальной температурой окружающего воздуха или поверхностной температурой дорожного покрытия, характерной для данного региона. Допустимые пределы для битумных вяжущих, представлены одиночной линией проведенной на логарифмическом графике пенетрации битумного  вяжущего при 77°F (25°C) и 41°F (5°C), как на рисунке 2-36. Испытываемое битумное вяжущее, у которого значение пенетрации при 25 и 5°C оказывается на, или справа от установленной линии, считается приемлемым. Пенетрация как состаренного, так и не состаренного битумного вяжущего дает одинаковую номографическую температуру трещинообразования, и может так же использоваться для определения допустимых пределов. Для этого способа необходимо измерять пенетрацию при одном дополнительном температурном значении (5°C).

Рисунок 2-36. Номограмма для прогнозирования температуры трещинообразования в °C, исходя из значения пенетрации для битума (по Го, 40)

Колееобразование. Колееобразование является следствием постепенного смещения материалов при повторяющейся нагрузке в слое асфальтобетоннного покрытия или в подстилающей основе. Оно может происходить за счет консолидации или за счет пластической деформации.

Консолидация – это постепенное уплотнение дорожного покрытия из HMA после строительства под влиянием транспортного потока. При неудовлетворительном уплотнении (содержание пустот в смеси от 10 до 12% и более, вместо прогнозируемых 2-5%) направленный транспортный поток многократно проминает участок колесной колеи и доводит консолидацию до нужного уровня (прогнозируемого количества пустот 3-5%). Выраженноее колееобразование может возникнуть вследствие уплотнения толстых слоев асфальтобетона под влиянием транспортного потока.

Колееобразование также развивается вследствие поперечной пластической деформации (остаточной деформации) HMA от колесной колеи. Применение избыточного количества битумного вяжущего является наиболее распространенной причиной этого явления. Избыток битумного вяжущего в смеси приводит к утрате внутреннего трения между частицами заполнителя и вследствие этого вся нагрузка падает на битумное вяжущее, а не на заполняющую структуру. Пластическую деформацию можно довести до минимума, посредством применения крупного заполнителя, кубовидные и грубой текстуры крупнозернистые и мелкозернистые заполнители, и обеспечивает адекватное уплотнение во время строительства.

Консистенция (пенетрация и вязкость) битумного вяжущего играет сравнительно небольшую роль в устойчивости HMA к коклееобразованию, если применяются кубовидные и грубой текстуры крупнозернистые и мелкозернистые заполнители. Повысить сопротивление к колееобразованию можно, используя более жесткое (высокая вязкость и низкая пенетрация) битумное вяжущее. В некоторых штатах, на юго-востоке США, начали применять высоковязкий сорт АС-30 вместо АС-20 для повышения устойчивости смесей к колееобразованию. Однако, более жесткие битумные вяжущие, сильнее подвержены растрескиванию в зимний период, в регионах с холодным климатом, особенно если их используют в верхних слоях дорожной одежды. Некоторые минеральные наполнители (крупнозернистые) также повышают структурную вязкость битумного при 140°F (60°C) (51), и, таким образом, делают смесь более устойчивой к колееобразованию. Однако, не следует применять мелкозернистые наполнители в больших количествах.

Образование очагов разрушения дорожного покрытия. Образование очагов разрушения дорожного покрытия (более подходящее название повреждение, обусловленное влажностью) можно определить как ослабление или окончательное разрушение адгезионной связи, вследствие скапливания влаги между заполнителем и битумным вяжущим в дорожном покрытии из HMA и или других смесей. Прочность смеси складывается из когезионной прочности связующего вещества, взаимного сцепления гранул и фрикционной стойкости заполнителя. Когезионной прочности можно достигнуть, только создав надежную связь между связующим веществом и заполнителем (52). Если связь плохая, то повреждение появляется на границе раздела между связующим веществом и заполнителем, а это может привести к преждевременному разрушению смеси и дорожного покрытия из HMA.

Существует, по меньшей мере, пять разных причин, которые могут привести к отслоению битумного вяжущего от поверхности заполнителя. К ним относятся: отсоединение, смещение, самопроизвольное эмульгирование, поровое давление, образование водной эрозии (53).

Образование очагов разрушения дорожного покрытия это сложный процесс, зависящий от многих параметров, включая тип и порядок укладки смеси, свойств битумного вяжущего, свойств заполнителя, окружающей среды, транспортной нагрузки, сложившейся практики строительства, присадок, предотвращающих отслаивание, но главная причина, при всех типах отслоения, это присутствие влаги (53, 54, 55).

Химический состав, как асфальта, так и заполнителя на границе раздела битум-заполнитель, играет важную и решающую роль в процессе образования очагов разрушения дорожного покрытия. В этом разделе рассматривается влияние свойств битума, особенно физических, хотя и имеющих второстепенное значение. Наиболее часто упоминается зависимость, существующая между свойствами битумного  вяжущего в дорожной смеси и способностью смеси к отслаиванию; она выражается отношением устойчивости к отслоению и вязкости битумного  вяжущего в процессе эксплуатации. Было замечено, что высоковязкие связующие вещества сопротивляются смещению водой гораздо лучше, чем вещества с низкой вязкостью. Низкая вязкость, однако, необходима в процессе смешивания, поскольку маловязкие жидкости, по сравнению с высоковязкими, обладают большей смачивающей способностью. Более того, применение высоковязких битумных вяжущих во многих случаях невозможно в силу следующих причин: низкотемпературное растрескивание в регионах с холодным климатом и потенциальное уменьшение усталостной прочности верхних слоев дорожной одежды. Чтобы решить эту проблему, не прибегая к повышению вязкости битумного вяжущего, что во многих случаях неэффективно и порождает лишь новые проблемы в период эксплуатации, необходимо знать основные принципы адгезии на границе заполнитель – битум.

СПЕЦИФИКАЦИЯ И ИСПЫТАНИЯ БИТУМНОГО
ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ СМЕСЕЙ ТИПА SUPERPAVE

Современные физические испытания битумного вяжущего и технические условия имеют много недостатков, которые приводятся ниже.

1. Испытания на пенетрацию и пластичность являются эмпирическими, и не имеют непосредственного отношения к эксплуатационным характеристика битумного  покрытия из HMA. Любая зависимость, обнаруженная между эмпирическими исследованиями и эксплуатационными характеристиками должна быть многократно подтверждена опытным путем, что и обсуждалось ранее.

2. Испытания проводятся в стандартных условиях: температура 77°F (25°C) для определения пенетрации и температура 140°F (60°C) для определения вязкости, но при этом не учитываются ни климатические условия в районе строительства, ни географическое местоположениея.

3. Не учитывается полный температурный интервал, обычно преобладающий на дорожных покрытиях в районе строительства. Например, не существует методики испытаний и требований технических условий для жесткости асфальтового вяжущего при низких температурах, которые помогли бы регулировать термическое растрескивание.

4. Современные методы испытаний и действующие спецификации учитывают кратковременное старение битумных вяжущих во время производства HMA и строительства посредством проведения TFO и RTFO испытаний. В то время как не рассматривается долговременное старение битумных вяжущих в процессе эксплуатации. Как отмечалось ранее, битумные вяжущие продолжают твердеть в процессе эксплуатации, таким образом, влияя на рабочие характеристики HMA в отношении усталостной прочности и низкотемпературного растрескивания.

5. Битумные вяжущие могут иметь разную температуру и рабочие характеристики в пределах одной системы классифицирования, независимо от того, что лежит в основе классификации: пенетрация или вязкость.

6. Современные испытания и спецификации для битумных вяжущих были разработаны опытным путем. Они не применимы к модифицированным битумным вяжущим, популярность которых растет с каждым днем. Информацию по битумным присадкам и модифицирующим веществам смотрите в главе 7.

С учетом упомянутых выше недостатков действующей системы, была запущена 5 летняя Программа стратегических исследований в области автомобильных дорог (SHRP), которая включала научно-исследовательскую работу, стоимостью 50 млн. долларов, направленную на разработку тестов и спецификаций для битумных вяжущих и HMA на основании рабочих характеристик. Испытания и спецификация (56, 57) вяжущих веществ, называемых Superpave (Su perior Per forming Asphalt Pav ement – асфальтовые покрытия высококачественного исполнения), имеет следующие важные особенности.

1. Испытания и спецификации предназначаются для битумных «связующих», которые включают как модифицированные, так и немодифицированные битумные вяжущие.

2. Установленные критерии остаются постоянными, но температура, при которой был определен критерий, должна изменяться, с учетом сорта вяжущего вещества, отобранного исходя из преобладающих климатических условий.

3. Физические свойства, измеренные при помощи испытаний вяжущих материалов Superpave, напрямую связаны эксплуатационными характеристиками, которые согласуются с техническими принципами.

4. Согласно спецификации на вяжущий материал Superpave, битумное асфальтовое вяжущее необходимо испытывать, только после моделирования трех, свойственных ему, критических стадий: (а) первая стадия - это битумное вяжущее готовое к транспортировке, хранению и обработке, но до смешивания с заполнителем; (b) вторая стадия – это состаренное битумное вяжущее после приготовления HMA и укладки (кратковременное старение); (с) третья стадия – это битумное вяжущее, которое подвергается дальнейшему старению при длительной эксплуатации.

5. Испытывается полный диапазон температур, прогнозируемый на строительной площадке.

6. Испытания и спецификации, разработанные с целью исключить или управлять тремя специфическими видами нарушений дорожного покрытия из HMA: колееобразование, усталостное и термическое растрескивание. Колееобразование обычно появляется при высоких температурах, усталостное растрескивание – при средних температурах, и термическое растрескивание – при низких температурах.

7. Методика тестирования и спецификация битумного вяжущего Superpave была разработана в единицах SI, которые и использовались в этом разделе, без дублирования по английской системе мер.

В настоящее время (1996) способ производства битумных вяжущих Superpave, до сих пор, находится на этапе становления. Некоторые испытания и критерии, вероятно, будут пересматриваться, по мере того внедрения этого технологического процесса.