CC BY
21
УДК 625.7 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2019.86.1.192
ВПЛИВ СТАБ1Л1ЗУЮЧИХ ДОМ1ШОК НА ДЕФОРМАЦ1ЙН1 ПОКАЗНИКИ ЩЕБЕНЕВО-МАСТИКОВОГО АСФАЛЬТОБЕТОНУ
Псюрник В.О., Маляр В.В.
Харкчвський нац1ональний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Проведен7 досл1дження впливу стабмзуючих домшок на значення модул1в пру-жност1 за умови р1зних температур, швидкостей деформування та зсувостткост1 щебенево-мастикових асфальтобетошв. Отримам результати пор1внят з асфальтобетонами на зви-чайних та бтумопол1мерних в 'яжучих. Вивчено вплив р1зновиду стабмзуючих домшок на зм1-ну показника мщност1 на згин в1д температури випробування.
Ключов1 слова: щебенево-мастиковий асфальтобетон, стабмзуюч1 дом1шки, деформащйм показники, реолог1чт властивост1, зсувосттюстъ, трщиносттюстъ.
Вступ
Останне десятирiччя щебенево-мастиковий асфальтобетон (ЩМА) став го-ловним рiзновидом матерiалiв у верхшх шарах дорожнього одягу Украши. Тшьки за останш два роки випущено близько 3 млн. т щебенево-мастикових асфальтобетонних су-мшей (2017 « 1,463 млн. т, 2018 « 1,3 млн. т). Проте проблема об'ективно! оцшки в змш деформацшних показникiв залежно вiд дп транспортного навантаження у разi рiзних температурних режимiв, особливо в клiмати-чних умовах Укра1ни, мае бути й надалi об'ектом поглиблених наукових дослiджень. Це е особливо актуальним щодо ЩМА, так як у його склад^ на вiдмiну вщ звичайного асфальтобетону, наявна значна кшьюсть щебеню, пiдвищений вмiст б^уму та присутнiй специфiчний компенсатор вмюту бiтуму -стабiлiзуюча домiшка. Ринок домшок стаб> лiзаторiв нараховуе десятки 1х рiзновидiв, тому вплив 1х рiзновидiв е актуальним за-вданням. Особливо це стосуеться впливу на деформацшно-мщшсш показники якостi, що вiдповiдають за забезпечення довговiчностi ЩМА.
Аналiз публжацш
Можливостi щодо забезпечення несучо! здатносп дорiг вищих технiчних категорiй з штенсившстю декiлька десяткiв тисяч авто-мобiлiв за добу та навантаженням бiльше нiж 10...15 т на вюь були практично вичерпанi. У цих умовах виникла необхщнють у нових матерiалах, якi б характеризувалися комплексом необхiдних деформацiйно-мiцнiсних характеристик якосп. Першими в цьому пе-релiку матерiалiв були асфальтополiмербе-тони (кшець 80-х рр.). А вже в середиш 90-х рр. ЩМА став для рiзних регiонiв свггу
(Свропа, Африка, Азiя, Америка, Скандинавию кра1ни, а в Укра1ш з початком 2000 рр.) новим та перспективним матерiалом. За вм> стом складових та спiввiдношенням мiж компонентами сумiшi вiн належить до само-стiйних рiзновидiв асфальтобетонiв [1-3].
Система оцшки якосп щебенево-мастикових асфальтобетошв та межi И пока-зникiв установлюються ДСТУ Б.В 2.7127:2015 «Сум^ асфальтобетоннi та асфальтобетон щебенево-мастиковий. Техшчш умови» [4].
Пружш характеристики ЩМА, а саме модуль пружносп, наданi у змш № 2 додатку Будiвельних норм ВБН В.2.3-218-186-2004 [5]. За умови розрахункових температур вiд 0 до 40 °С значення модуля пружносп ЩМА нижче, нiж у асфальтобетошв, у середньому на 13,5 %. Максимальний розмiр наповнюва-ча ЩМА значно впливае на модуль пружносп, як i в'язюсть бiтуму та його модифiкацiя полiмерами рiзноl концентраций синтетичним воском i т. п. Вплив на пружш характеристики ЩМА, що зазначеш у стандарт^ значною мiрою здшснюеться за рахунок модифшацп в'яжучого, що супроводжуеться шдвищен-ням його в'язкосп. До такого висновку при-ходять автори робщ у яких розглядаеться полiмерний модифiкатор СБС [6, 7], подрiб-нена гума та парафш [8, 9] та iн.
Однак шдвищення пружних характеристик ЩМА за рахунок модифшаци в'яжучого не повинно тдвищувати крихкiсть ЩМА у зимовий перюд експлуатаци. Також на дефо-рмативнiсть ЩМА впливае вмют в'яжучого. У [10] установлений кореляцшний зв'язок мiж кiлькiстю бiтуму та жорстюстю ЩМА, визначеного за допомогою реометра динамi-чного зсуву.
На пружнi характеристики ЩМА вплива-ють фiзичнi та xiMi4Hi властивостi наповню-вачiв, ix кiлькiсть, форма частинок. У [11] була вивчена змша енергн деформування пiд дieю цих чинникiв та встановлеш кореляцш-нi зв'язки мiж модулем пружностi та опору колieутворення [12].
З точки зору опору колшносп (наслiдок накопичення пластичних деформацш) ЩМА кращий, нiж асфальтобетон. Також ЩМА бшьш довготривалий, вiн знижуе швидкiсть поширення вiдбитиx трiщин [13]. До недол> кiв щебенево-мастикових сумшей належить сегрегацiя, розшарування пiд час транспор-тування та складнiсть ущшьнення. Щоб за-побiгти цьому в ЩМА використовують ста-бiлiзатор (волокна), який, по-перше, зменшуе стiкання в'яжучого в ЩМА, по-друге, тд-вищуе утомленiсну мiцнiсть та колiестiй-юсть ЩМА [14]. У [14] вивчали вплив рiзниx волокон (мiнеральниx та оргашчних) на модуль пружносп та динамiчну повзучiсть за умови температур вщ 5 до 35 °С. Було вста-новлено, що iснуе оптимальний вмiст волокон залежност вiд температури випробуван-ня за критерiем деформацiйниx властивостей ЩМА. З тдвищенням температури збшьшу-еться оптимальний вмют волокон. У [15] показано, що оптимальний вмют целюлозного волокна знаходиться в межах 0,4...0,6 % вщ маси мшерально! частини ЩМА за критерiем утомленюно! мiцностi. У [16] таким критер> ем був показник стабiльностi за Маршаллом.
Значна частина робгг присвячена впливу рiзновидiв волокон та ix вмiсту на фiзико-меxанiчнi властивость Наприклад, результа-ти дослiдження [16] дозволили дати рекоме-ндаци щодо проектування складу ЩМА (VFA - частка пор, що заповнеш б^умом; VMA - доля мiжзерновиx пустот) залежно вщ виду волокнистого стабшзатора (лiгнiн, полiефiрне волокно, мiнеральне волокно, змшане волокно).
У [17] надана 2D-модель ЩМА та ршен-ня мшромехашки щодо напружено-деформованого стану з використанням методу дискретних елемештв (DEM). Зiставленi данi ршень чисельного та експерименталь-ного методу, що отримаш вiдповiдно до Бри-танського стандарту на багатоциклове наван-таження. Показано, що об'емна концентращя крупного заповнювача ефективно познача-еться на накопиченнi деформацiй у разi такого навантаження. Також DEM моделi здатнi прогнозувати деформащю повзучостi ЩМА.
Аналiз лiтературних джерел показав, що вщсутш комплекснi дослщження впливу рiз-них класiв волокон на спектр деформацшних властивостей ЩМА (широкий температур-ний та часовий дiапазон). Вiдсутнiй аналiз та рекомендаци щодо вибору типу волокон, як полiпшують деформативнi властивостi ЩМА, не попршуючи в цьому випадку його крихкость
Мета й визначення завдання
Метою дослщжень е встановлення характеру деформацшно-мщнюно1 поведiнки ще-бенево-мастикового асфальтобетону на осно-вi рiзних «стабшзуючих» полiмерних домiшок - волокон: целюлозних або синте-тичних, з використанням спецiального для таких дослщжень лабораторного обладнання.
Для досягнення поставлено! мети були окресленi таю завдання: визначити реолопч-нi показники ЩМА за умови рiзних температур та рiзних швидкостей деформування; ощнити опiр ЩМА розвитку пластичних деформацш у разi пiдвищених температур -зсувостшкють; визначити показник трщино-стiйкостi ЩМА для рiзних швидкостей при-кладання навантажень та рiзних розрахунко-вих температур.
Експериментальнi дослщження деформа-ц1йних та мiцнiсних властивостей ЩМА
Характерною особливютю бетонiв на ос-новi органiчних в'яжучих, до яких i належить ЩМА, е !х релаксацiйна реакцiя на зовшш-ню дiю. Тому для дослщження деформацш-них властивостей ЩМА можна використову-вати реологiчнi показники гармоншного деформування. Крiм того, установления характеру деформацшно! поведiнки ЩМА та вщповщних параметрiв у разi рiзних темпе-ратурних режимiв та рiзних рiвнiв навантаження е важливим для розрахунку дорожшх конструкцiй. Для таких дослщжень на кафе-дрi ТДБМ ХНАДУ протягом багатьох деся-тирiч використовують вiбростенд зi струмо-динамiчним перетворювачем, який за синусощальним законом передае зусилля iз заданою частотою та амплiтудою коливань на матерiал [18, 19, 20], чим досягаеться реа-лiзацiя iмiтацil швидкосп транспортного потоку.
Реологiчними показниками прийнято: значення комплексних модулiв пружностi (Е*) у дiапазонi частот деформування вщ 0,01 до 50 Гц у межах температур вщ -20 до +50 °С; параметри, що характеризують фiзи-
чний стан ЩМА - температури умовного механiчного склування (Тскл), яка вiдповiдаe значенню модуля пружносп 104 МПа, та температури переходу у в'язко-пластичний стан (Твп), що вiдповiдаe значенню модуля пружностi, рiвному 102 МПа; коефщент температурно! чутливостi (AlgE*/AT), приз-начення якого розкрити роль в'яжучого в бетош, а також коефiцieнт пластичност (т) [19]. ^
Об'ектом дослщжень прийнято ЩМА такого складу: щебшь гранiтний фр. 5-10 -68 %, тсок з вiдсiвiв гранiту - 22 %, мшера-льний порошок - 10 %, бiтум марки БНД 60/90 - 6,6 % та стабшзуюче волокно «АШ;госе1» - 0,4 % (бшьше нiж 100 % мше-рально! частини). Ця домiшка належить до целюлозних гранульованих домшок, оброб-лених бiтумом, вона е домiшкою типу У1АТОР. Фiзико-механiчнi властивостi ЩМА з цiею домшкою наведенi в табл. 1.
Випробуванню на стендi пiддавали зраз-ки-балки ЩМА завдовжки 25 см зi сторонами 4х4 см. 1х виготовляли з плити, поперед-ньо сформовано! на секторному пресь Комплексний модуль пружносп визначали за [20].
Ураховуючи недостатне висвiтлення в л> тературi даних щодо значень таких реолопч-них параметрiв ЩМА, як Е*, Тскл, Твп та ш., здiйснювалося порiвняння отриманих результат дослiджень з вiдповiдними значен-нями звичайного асфальтобетону (тип Б за
гранулометрiею) на бiтумi, що його було прийнято для ЩМА - БНД 60/90 (вмют -4,8 %) пенетращя за умови 25 °С - 70-0,1 мм, температура розм'якшеносп tр - 51 °С, а також асфальтополiмербетону типу Б. Для мо-дифiкацi!' бiтуму використано термоеластоп-ласт типу стирол-бутадiен-стирол марки Кратон Д1101 фiрми SHELL (Голландiя). Його в кiлькостi 3 % вводили в б^ум БНД 90/130 (пенетращя, якщо 25 °С - 116-0,1 мм, tр = 46 °С). Це дозволило отримати марку БМП 60/90 (пенетращя за умови 25 °С -60-0,1 мм, температура розм'якшення -55 °С). Вмют БМП в асфальтобетош стано-вить 4,8 %.
Вщомо, що в'яжуче е единим релаксацш-но здатним компонентом асфальтобетону [21]. Можна було передбачити, що стабш-зуюча домiшка здатна впливати на дефор-мацiйну поведiнку ЩМА та на релаксацшш процеси в ньому. У той же час наведет в табл. 1 стандарты даш аж шяк не дозволяють об'ективно оцiнити вплив стабiлiзуючо! до-мiшки на деформацiйну поведiнку ЩМА у разi його роботи в конструкщ! дорожнього одягу, бо за такими ж стандартними даними (мiцнiсть на стиск за умови 20 та 50 °С) ЩМА поступаються як звичайному асфальтобетону, так i асфальтополiмербетону (табл. 2).
Таблиця 2 - Фiзико-механiчнi властивостi асфальтобетону та асфальтополiмербетону
Тип бетону Серед- ня щшь-нiсть Во-дона- си-чення W, % Мщшсть на стиск R, МПа Коефщент тривало! водостш-костi Квд
R20 R50
Тип Б (БНД 60/90 - 4,8 %) 2386 2,40 4,60 1,80 0,9
Тип Б (БНД 90/130 + 3 % КгаЮп D1101 - 4,8 %) 2394 2,56 4,83 2,42 0,89
Тип Б (БНД 130/200 + 3 % КгаЮп D1101 - 4,6 %) 2389 2,80 4,52 2,27 0,81
Саме тому бiльш об'ективну шформащю про поведiнку ЩМА в дорожньому одязi можна отримати на шдст^ аналiзу дефор-мацiйно-мiцнiсно! поведiнки ЩМА в прийняному температурному та частотному дiапазонi. Tемпературно-частотнi залежностi
Таблиця 1 - Фiзико-механiчнi властивостi ЩМА
Найменування показникiв Значення показнимв
Середня щiльнiсть, кг/м3 2420
Пористiсть мшерально! частини, % 15,6
Залишкова пористiсть, % 2,3
Водонасичення, % за об'емом 1,7
Межа мщносп за умови стиску, МПа якщо 20 °С якщо 50 °С 3,8 1,2
Водостiйкiсть у разi довготривалого водонасичення 0,95
Зсувостiйкiсть за: - коефщентом внутрiшнього тертя, МПа - за зчепленням у разi зсуву за умови температури 50 °С, МПа 0,98 0,67
Трщиностшкють за межею мiцностi на розтяг у випадку розколу (температура 0 °С i швидкiсть деформуван-ня 50 мм/хв), МПа 4,8
Спкання в'яжучого, % 0,14
комплексного модуля пружносп ЩМА наведет на рис. 1.
Даш рис.1 свщчать про те, що для ЩМА, так як i для звичайного асфальтобетону або асфальтополiмербетону [22], характерна сте-пенева залежнiсть модуля пружностi вщ час-тоти деформування за умови рiзних температур дослiджень. Зi збiльшенням частоти мехашчно1 ди спостер^аеться зростання модуля пружностi ЩМА. Абсолютш значення комплексного модуля пружносп Е* ЩМА зростають зi зниженням температури, а ште-нсивнiсть зростання Е*, тобто коефiцiенти пластичностi, залежать вiд температури ви-пробування. Якщо температура 10 - 35 °С, спостер^аеться найбiльша залежнiсть моду-лiв пружностi ЩМА вiд частоти ди наванта-ження. У разi +50 °С iнтенсивнiсть змiни Е* е дещо нижчою, а особливо И зниження спо-стерiгаеться у випадку переходу до температур -10 та -20 °С. Така особливють дефор-мування притаманна як асфальтобетону, так i асфальтополiмербетону [22]. Звертае на себе увагу той факт, що у всьому дiапазонi частот абсолютне значення модулiв
пружностi ЩМА в дiапазонi температури вщ +50 до 0 °С поступаеться асфальтопол> мербетонам. Проте за умови -10 та -20 °С модулi пружностi ЩМА, навпаки, стають вищими. Пов'язано це, напевно, з тим, що у випадку температури 0 °С шдсилююча дiя полiмеру знижуеться, у той же час стабшзу-юча домiшка не включаеться в процес деформування i основна роль належить в'яжучому. Особливо наочно про це свщчать графiчнi температурнi залежностi модуля пружностi (рис. 2). Напевно, це е наслщком стабшзуючо! ди домiшки. Що ж до високих значень температур, то вище абсолютне зна-чення Е* асфальтополiмербетону пов'язано з посиленням бiтуму полiмерною домiшкою. Коефiцiент пластичностi (т), що визначаеть-ся за тангенсом кута нахилу Е* вщ частоти зi змiною температур вiд високих до ни-зьких переходить через максимум (табл. 3), що пов'язано iз сшввщношенням часу ди навантаження та релаксацшними процесами. За умови температури 20 °С коефiцiент пла-стичност найвищий, а в разi -20 °С вiн до-сить низький.
Частота, Гц
■50°С —•— 35°С —А— 20°С —*— 10°С ——•— -10°С —I--20°С
Рис. 1. Частотш залежностi комплексного модуля пружносп ЩМА за умови рiзних температур
Таблиця 3 - Параметри температурно! залежностi ЩМА асфальто- та асфальтополiмербетону
Характеристика в'яжучого, тип гранулометрп Частота, f Гц Параметри температурноl залежносп
Тскл, °С Твп, °С Тпл, °С Д^Е*/ДТ т
+50 +20 -20
ЩМА на в'яжучому БНД 60/90 (0,4 % Ап-trocel) 0,01 -18 51 69 0,028 0,18 0,20 0,10
0,5 -12 70 82 0,025
Асфальтобетон на в'яжучому БНД 90/130+ 3 % Кратона Д 1101, тип Б 0,01 -18,5 59 77,5 0,026 0,18 0,18 0,06
0,5 -11,5 77 88,5 0,023
Асфальтобетон на в'яжучому БНД 60/90 (П25 = 70), тип Б 0,01 -16,5 51 67,5 0,029 - 0,2 -
Асфальтобетон на в'яжучому БНД 130/200 + 3 % Кратон Д 1101, тип Б 0,01 -22 42,5 62,5 0,027 - 0,21 -
Температурнi залежностi модуля пружно-стi (рис. 2) ЩМА мають характернi прямол> нiйнi зони, що дозволяе встановити методом екстраполяцп температуру в'язкопластич-ностi (Твп) та склування (ТСк), а також штер-вал пластичностi Тпл та коефщент темпера-турно! чутливостi AlgE*/AT (табл. 3).
Даш табл. 3 свщчать, що параметри тем-пературно! залежносп ЩМА, асфальто- та асфальтополiмербетону визначаються влас-тивостями в'яжучого, що зайвий раз тдкрес-люе взаемозв'язок мiж реологiчними власти-востями бiтумiв та асфальтобетошв. За параметром Тст ЩМА асфальтобетон та ас-фальтополiмербетон не вiдрiзняються. Про-те, виходячи з даних табл. 3, перехщ до в'язкопластичного стану (ТВП) ЩМА та ас-фальтополiмербетону суттево вiдрiзняеться. Температура в'язкопластичност (Твп) асфа-льтополiмербетону на 7-8 °С вища порiвняно з ЩМА та звичайним асфальтобетоном. Для асфальтополiмербетону також нижча температурна чутливiсть. Виходячи з цього, надзвичайно важливо встановити, як це поз-начаеться на показниках зсувостшкосп ЩМА.
Фiзико-механiчнi властивостi щебенево-мастикових асфальтобетонних сумiшей, на яких проведено дослщження зсувостiйкостi, а о^м того, i трiщиностiйкостi, наведенi в рашше опублiкованiй роботi [23].
Прийнятий стандарт на ЩМА [4] перед-бачае визначення границi мщност на розтяг за умови розколювання цилiндричних зразкiв у разi температури 0 °С, що дозволяе ощнити
трiщиностiйкiсть ЩМА. Стiйкiсть ЩМА у випадку дп високих температур стандарт пропонуе оцiнювати за умовним зчепленням у разi зсуву, якщо температура 50 °С, та умовним коефщентом внутрiшнього тертя. Пщ-сумковий результат ^ ф та С) оцшюють на пiдставi обчислення роботи, витраченш на руйнування цилiндричних зразюв на одноо-сьовий стиск та на стиск спещальним обтис-кним пристроем за схемою Маршалла. Проте таю випробування не повною мiрою дозволяють оцiнити зсувостiйкiсть ЩМА. До того ж таю схеми напруженого стану не пов-нiстю вщтворюють механiзм навантаження ЩМА, як це вщбуваеться в покриттi пiд дiею рухомого складу транспортних засобiв. У зв'язку з цим виникае необхщшсть застосо-вувати iншi схеми випробування, яю б дали змогу отримати додатковi вiдомостi про зсу-востшюсть та трiщиностiйкiсть ЩМА. На цей час юнують метод чистого скручування та метод, що базуеться на вимiрюваннi коли в асфальтобетонному зразку тсля вщповщ-но! кiлькостi проходiв з нормованим наван-таженням. Зсувш напруги викликають у пок-ритп пластичнi деформаци та формують в асфальтобетон за рахунок перемiщення од-ше! поверхнi щодо шшо! коли та зсуви.
У цш робот зсувостiйкiсть ЩМА оцiню-вали за показником граничного опору зсуву (тзс) у разi температури 50 °С на зразках-цилiндрах 70,1 мм та заввишки Н = 140 мм в умовах 1х кручення (чистий простий зсув) за постшно! швидкосп завантаження.
4,4 4 3,6
Я
= 3,2
И 2,8 00
2,4
- к ^
ч -ч Ч, N ^ ч "V, --^ 14 "V -
-20
-10
10 20 30 40 Температура," С
50
60
70
80
- 0,5Гц-ЩМА --■- 0,01Гц-ЩМА
0,5ГцТип Б
0,01ГцТип Б
Рис. 2. Температурна характеристика комплексного модуля пружност асфальтополiмербетону типу Б та ЩМА
Звюно, тд д1ею колеса автомобшя в мате-р1ал1 покриття виникають не тшьки зсувш зусилля, але й стискальш та згинальш. Проте саме застосована нами схема дозволяе уник-нути складного напруженого стану (стиску та згину), що гаранте бшьш об'ективну ощ-нку рол1 стабшзуючох домшки та власне в'яжучого. Отримаш показники зсувостшко-ст ЩМА та наведен для пор1вняння в [24] результаты досл1джень зсувоспйкост асфа-льто- та асфальтопол1мербетону зведен в табл. 4.
Таблиця 4 - Зсувостшюсть ЩМА, асфальтобетону та асфальтопол1мербетону
Пзновиди бетошв Мщшсть на стиск И50, МПа Зсувостшюсть за умови 50 С, Тзсув, МПа
ЩМА на БНД 60/90 (0,3 % Эо1апй) 1,33 0,13
ЩМА на БНД 60/90 (0,5 % Viatop) 1,40 0,15
Асфальтобетон типу Б на БНД 60/90 1,80 0,16
Асфальтобетон на БНД 90/130 3 % Кратон типу Б 2,42 0,23
Асфальтобетон типу Б на БНД 130/200 (3 % Кратон) 2,27 0,18
Наведен в таблиц дан свщчать про май-же однаков1 показники зсувоспйкост в раз1 скручування ЩМА з р1зними стабшзаторами та асфальтобетону типу Б на звичайному бь тум1 БНД 60/90. Проте в покритт зсувостш-
к1сть ЩМА буде вищою, шж у звичайному асфальтобетон^ так як у шар1 конструкцп дорожнього одягу умови перемщення зерен щебеню ускладнеш боковим опором. Дещо вища Тзсуву ЩМА на стабЫзатор1 Viatop, що можна пояснити його бшьшим вмютом, шж Dolanit. У той же час зсувоспйкють асфаль-топол1мербетону в 1,4-1,6 раза вища, що звичайно зумовлюеться безпосередньою д1ею в'яжучого на супротив зсуву. Спостер1гаеть-ся повна в1дпов1днють м1ж показниками зсу-востшкост та мщнютю R50 (рис. 3). Про це свщчить значення коефщента кореляцшного зв'язку, який становить 0,92. Отже, можна констатувати, що введення до складу ЩМА б1тум1в, модифшованих пол1мерними домш-ками, сприяе росту зсувоспйкост!
Показник трщиностшкосл ЩМА ощню-вався шляхом випробування на згин зразшв-бруск1в розм1ром 4х4х16 [20] за умови р1зних швидкостей прикладання навантаження 3 та 30 мм/хв та температур 20, 10 та 0 °С (виб1р режим1в випробування обумовлений особли-востями роботи матер1алу в покритп, дина-м1чним навантаженням в1д транспорт). Од-ночасно вивчався вплив р1зновиду стабшзуючих домшок (DOLANIT або VIATOP) на зм1ну показника Из г у дшпазош прийнятих температур (рис. 4) та швидкос-тей деформування (табл. 5).
Експериментальш дан св1дчать, що з1 зниженням температури в1д +20 до 0 °С мщ-шстъ на згин (Изг) ЩМА зростае. Це власти-во як для швидкост ди навантаження V = 3 мм/хв, так { для V = 30 мм/хв.
0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1
V = 0 0706е° ,4863х ^
У = 0,92^ ^4
< ► ^^
♦
1,2
1,4
1,6 1,8
1*50, МПа
2,2
2,4
2,6
Рис. 3. Кореляцшний зв'язок И50 - т
зсув
УЗО
\ ч ^^
УЗ ■у \ \ г '— \
о 10 20
т,°с
Рис. 4. Температурна залежнють змши Rзг ЩМА на рiзних «стабЫзуючих» домiшках: Viatop (-V3 та V30) та DOLANIT (---D3 та D30)
Проте темп змiни Rзг зi зниженням темпе-ратури для рiзних стабiлiзаторiв рiзний. За умови температури 20 °С мiцнiсть на згин дещо вища у випадку VIATOP (як i вищий показник R20 та R50 на даному стабiлiзаторi). Це можна пояснити бiльшим його вмютом у ЩМА (0,5 %). Проте, якщо температура 10 °С, вщбуваеться зближення значень цих по-казникiв, а вже в разi температури 0 °С Rзг мщнють на згин у ЩМА на DOLANIT за умови 11 вмюту нижчому (0,3 %) стае большим за мiцнiсть ЩМА на VIATOP в 1,2-1,3 раза залежно вщ швидкостi випробування. Бiльш суттеве збшьшення притаманне для DOLANIT як у разi V = 3 мм/хв, так i V = = 30 мм/хв (табл. 5).
Таблиця 5 - Змша темпу приросту Язг ЩМА на р1зних стабшзуючих домшках за умови р1зних швидкостей деформування V
Можна зробити попереднш висновок, що полiакриловi волокна (до них належить DOLANIT) здатш бiльшою мiрою, нiж целю-лозш гранульованi (VIATOP), посилити зм> цнювальну протидш (мiкроармування) ди-намiчному навантаженню в робой покритлв у разi знижених температур повiтря. Зви-чайно ж, зроблеш допущення щодо переваги тих чи шших полiмерних синтетичних або целюлозних волокон та !х впливу на Rзг (а ще ранiше Тзс) робити передчасно, адже кожна група волокон мае широкий спектр !х рiзно-видiв, ям мають iндивiдуальнi особливостi.
Висновки
На пiдставi проведених результатiв досл> джень деформацшно-мщнюних показникiв якостi щебенево-мастикового асфальтобетону та порiвняльного аналiзу аналопчних по-казникiв звичайного асфальтобетону та ас-фальтополiмербетону можна зробити таи висновки:
- у прийнятому дiапазонi температур дос-лiджень (-20 до +50 °С) та частот деформування (вщ 0,01 до 40 Гц) модуль пружност ЩМА змiнюеться за степеневою функщею та зростае з пониженням температури випробу-вання та збшьшенням частоти прикладання навантаження. Проте за абсолютним значен-ням модулiв пружностi ЩМА за умови по-зитивних температур (вiд 0 до +50 °С) пос-тупаються асфальтополiмербетонам, тодi як у разi низьких температур (-10 та -20 °С) на-впаки стають вищими;
- параметри температурно! залежностi ЩМА та асфальтополiмербетону на бiтумах рiвноl консистенцп вiдрiзняються за штерва-лом пластичносл, здебiльшого за параметром переходу до в'язкопластичного стану (ширше на 6-8 °С у асфальтополiмербетону) та коефщентом температурно! чутливостi (нижчий на 10 % у асфальтополiмербетону), проте коефщент пластичностi за умови 20 °С вищий у ЩМА;
- показник зсувостшкосп ЩМА, оцшка якого здiйснена методом чистого скручуван-ня в разi температури 50 °С, характеризуеть-ся приблизно рiвними значеннями з асфальтобетонами на звичайному бiтумi БНД 60/90, у той час як зсувостшисть асфальтополiмер-бетону в 1,4-1,6 раза вища (що залежить вщ рiзновиду стабшзуючо! домiшки - вищий
Р1зновид стабшзуючо! домшки
Ввдношення VIATOP DOLANIT
V = 3 V = 30 V = 3 V = 30
мм/хв мм/хв мм/хв мм/хв
Язг 0 °С/ Язг 20 °С 2,26 1,80 2,76 2,25
для VIATOP). Установлено тюний кореля-цiйний зв'язок мiж зсувостiйкiстю та мщшс-тю, якщо 50 °С R50;
- температурш залежностi змiни показ-ника розтягу в умовах згину R3r ЩМА на pi-зних стабiлiзуючих домшках за умови piз-них паpаметpiв навантаження свiдчать, що ЩМА на полiакpилових волокнах (DOLANIT) характеризуються вищою в 1,25 раза здатшстю протиди навантаженню в pазi низьких температур пов^ря, нiж ЩМА з целюлозними волокнами.
Ураховуючи нестабiльнiсть деформацш-но-мiцнiсних показникiв якост ЩМА в piз-них експлуатацшних умовах ix роботи, ви-никае необxiднiсть накопичення даних щодо властивостей матеpiалу на piзниx стабшзу-ючих домiшкаx, а також пошук piзниx умов випробування ЩМА. Це стосуеться розши-рення температурного дiапазону випробу-вань i в оцiнцi показника розтягу тд час згину й параметру зсувостшкосп. Кpiм того, необхщною е оцiнка колiестiйкостi асфальтобетону безпосередньо колiемipом.
Лiтература
1. Krzysztof Blazejowski Stone Matrix Asphalt. Theory and Practice Warszawa: Rettenmaier Pol-ska sp. z o.o. 2007. - 614 p.
2. Веренько В.А., Занкович В.В. Щебеночно-мастичные асфальтобетоны - эффективный материал дорожных покрытий. Харьков: Вестник ХНАДУ. 2002. Вып. 19. С. 130-131.
3. Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона. Москва: Элит, 2009. 176 с.
4. Сумiшi асфальтобетонш i асфальтобетон ще-бенево-мастиковг Теxнiчнi умови: ДСТУ Б В.2.7-127:2015 (Чинний вiд 01.07.2016). Кшв: Мiнpегiонбуд Украши, 2016. 30 с. (Нащональ-ний стандарт Украши).
5. Дорожнш одяг нежорсткого типу: ВБН В.2.3-218-186-2004 (Чинний вiд 2005-01-01). Кшв: Державна служба автомобшьних дор^ Украь ни «УКРАВТОДОР», 2004. 137 с. (Вiдомчi будiвельнi норми Украши).
6. Al-Hadidy A.I., Yi-qiu T. Effect of Styrene-Butadiene-Styrene on the Properties of Asphalt and Stone-Matrix-Asphalt Mixture. Journal of Materials in Civil Engineering, 2011. № 23. P. 504-510.
7. Mojtaba Ghasemi, Seyed Morteza M. Laboratory Investigation of the Properties of Stone Matrix Asphalt Mixtures Modified With RGP-SBS. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. Vol. 6. № 4. 2011. P. 1823-1834.
8. Kok Baha. Performance Evaluation of CR+Paraffin Modified Stone Mastic Asphalt. Canadian Journal of Civil Engineering, 2015. 38 p.
URL: http s://mc06. manuscriptcentral.com/cj ce-pubs (дата звернення: 05.07.2019).
9. Nuha Salim Mashaan, Asim H. Ali, Suhana Ko-ting, Mohamed Rehan K. Dynamic Properties and Fatigue Life of Stone Mastic Asphalt Mixtures Reinforced with Waste Tyre Rubber. Advances in Materials Science and Engineering. Volume 2013. P. 1-9.
10. Walaa S. Mogawer, Kevin Stuart D. Effects of Mineral Fillers on Properties of Stone Matrix Asphalt Mixtures. Transportation Research Record. 1996. № 1530. P. 86-94.
11. Limуn-Covarrubias P., Avalos Cueva D. Analysis of the Behavior of SMA Mixtures with Different Fillers Through the Semicircular Bend (SCB) Fracture Test. Materials. 2019. № 12. 15 p. URL: www.mdpi.com/journal/materials (дата звернення: 05.07.2019).
12. Imran Hafeeza, Kamala M.A., Mirza M.W. An experimental study to select aggregate gradation for stone mastic asphalt. Journal of the Chinese Institute of Engineers, 38:1, P. 1-8. URL: http://www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions (дата звернення: 05.07.2019).
13. Donald Watson E. Updated Review of Stone Matrix Asphalt and Superpave® Projects. Transportation Research Record. 2003. № 1832. P. 217223.
14. Lavasania M., Manouchehr Latifi N., Fartash H. Experimental investigation on mineral and organic fibers effect on resilient modulus and dynamic creep of stone matrix asphalt and continuous graded mixtures in three temperature levels. Construction and Building Materials. 2015. № 95. P. 232-242.
15. Ratnasamy Muniandy, Bujang Huat B.K. Laboratory Diameteral Fatigue Performance of Stone Matrix Asphalt with Cellulose Oil Palm Fiber. American Journal of Applied Sciences 3 (9). 2006. P. 2005-2010.
16. Yanping Sheng, Haibin Li, Ping Guo, Guijuan Zhao, Huaxin Chen, Xiong R. Effect of Fibers on Mixture Design of Stone Matrix Asphalt. Appl. Sci., 2017. 7, 297. 12 p. URL: www.mdpi.com/journal/applsci (дата звернення: 05.07.2019).
17. Mansour Fakhri, Pezhouhan T. Kheiry, Mirg-hasemi A. A. Modeling of the permanent deformation characteristics of SMA mixtures using discrete element method, Road Materials and PavementDesign, 2012. № 13:1. P. 67-84.
18. Асфальтобетонные покрытия / И.В. Королев, В.А. Золотарев и др.; под ред. М.И. Волкова. Донецк: Донбасс, 1970. С. 34-47.
19. Золотарев В.А. Долговечность дорожных асфальтобетонов. Харюв: Вища школа, 1977. 116 с.
20. Сум^ асфальтобетонш i асфальтобетон дорожнш. Методи випробувань: ДСТУ Б В.2.7-319:2016 (Чинний вщ 01.07.2016). Кшв: Укр-НДНЦ, 2017. 75 с. (Нацюнальний стандарт Украши).
21. Золотарьов В.О. Дослщження в'язкосп бiтуму при стащонарному та циклiчному деформу-ваннi. Автомобшьш дороги i дорожне будiв-ництво. Кшв, 2002. Вип. 12. С. 105-110.
22. Золотарев В.А., Маляр В.В., Лапченко А.С. Реологические свойства асфальтополимербе-тонов при динамическом режиме деформирования // Наука и техника в дорожной отрасли.
2008. № 1. С. 10-13.
23. Псюрник В.А., Чугуенко С.А., Опришко А.В., Золотарев В.А. Роль волокон в формировании физико-механических свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона // Вестник ХНАДУ, 2005. № 30. С. 203-206.
24. Золотарев В.А., Чугуенко С.А., Галкин А.В. О взаимосвязи свойств битумополимерных вяжущих и сдвигоустойчивости асфальтобетона // Автошляховик Украины. 2004. № 3. С. 25-30.
References
1. Krzysztof Blazejowski (2007). Stone Matrix Asphalt. Theory and Practice Warszawa: Ret-tenmaier Polska sp. z o.o. 614 p.
2. Veren'ko V.A., Zankovich V.V. Shhebenochno-mastichnye asfal'tobetony - jeffektivnyj material dorozhnyh pokrytij [Stone-mastic asphalt concrete is an effective pavement material]. Harkiv: Vestnik HNADU, 2002. Vyp. 19. Р. 130-131.
3. Kirjuhin G.N., Smirnov E.A. Pokrytija iz shhebenochno-mastichnogo asfal'tobetona [Stone-mastic asphalt concrete coatings] - M.: Jelit,
2009. 176 p.
4. Sumishi asfal'tobetonni i asfal'tobeton shhebenevo-mastikovi. Tehnichni umovi: DSTU B V.2.7-127:2015 [Mixtures of asphalt concrete and asphalt concrete rubble-mastic. Specifications: DSTU B V.2.7-127: 2015] (Chinnij vid 01.07.2016). Kiiv: Minregionbud Ukraini, 2016. 30 p. (Nacional'nij standart Ukraini).
5. Dorozhnij odjag nezhorstkogo tipu: VBN V.2.3-218-186-2004 [Road clothes of non-rigid type: VBN V.2.3-218-186-2004] (Chinnij vid 2005-0101). Kyiv: Derzhavna sluzhba avtomobil'nih dorig Ukraini «UKRAVTODOR», 2004. 137 p. (Vidomchi budivel'ni normi Ukraini).
6. Al-Hadidy A.I., Yi-qiu T. (2011). Effect of Sty-rene-Butadiene-Styrene on the Properties of Asphalt and Stone-Matrix-Asphalt Mixture. Journal of Materials in Civil Engineering. № 23. Р. 504510.
7. Mojtaba Ghasemi, Seyed Morteza M. (2011). Laboratory Investigation of the Properties of Stone Matrix Asphalt Mixtures Modified With RGP-SBS. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. Vol. 6. № 4. Р. 1823-1834.
8. Kok Baha. (2015). Performance Evaluation of CR+Paraffin Modified Stone Mastic Asphalt. Canadian Journal of Civil Engineering. Р. 1-38. URL: http s: //mc06. manuscriptcentral. com/cj ce-pubs.
9. Nuha Salim Mashaan, Asim H. Ali, Suhana Ko-ting, Mohamed Rehan K. (2013). Dynamic Properties and Fatigue Life of Stone Mastic Asphalt Mixtures Reinforced with Waste Tyre Rubber. Advances in Materials Science and Engineering. Volume 2013. P. 1-9.
10. Walaa S. Mogawer, Kevin Stuart D. (1996) Effects of Mineral Fillers on Properties of Stone Matrix Asphalt Mixtures. Transportation Research Record. № 1530. P. 86-94.
11. Limyn-Covarrubias P., Avalos Cueva D. (2019). Analysis of the Behavior of SMA Mixtures with Different Fillers Through the Semicircular Bend (SCB) Fracture Test. Materials. № 12. P. 1-15. URL: www.mdpi.com/j ournal/materials.
12. Imran Hafeeza, Kamala M.A., Mirza M.W.
(2014). An experimental study to select aggregate gradation for stone mastic asphalt. Journal of the Chinese Institute of Engineers. 38:1. P. 1-8. URL: http://www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions.
13. Donald Watson E. (2003). Updated Review of Stone Matrix Asphalt and Superpave® Projects. Transportation Research Record. № 1832. P. 217-223.
14. Lavasania M., Manouchehr Latifi N., Fartash H.
(2015). Experimental investigation on mineral and organic fibers effect on resilient modulus and dynamic creep of stone matrix asphalt and continuous graded mixtures in three temperature levels. Construction and Building Materials. № 95. P. 232-242.
15. Ratnasamy Muniandy, Bujang Huat B.K. (2006). Laboratory Diameteral Fatigue Performance of Stone Matrix Asphalt with Cellulose Oil Palm Fiber. American Journal of Applied Sciences 3 (9). P. 2005-2010.
16. Yanping Sheng, Haibin Li, Ping Guo, Guijuan Zhao, Huaxin Chen, Xiong R. (2017). Effect of Fibers on Mixture Design of Stone Matrix Asphalt. Appl. Sci., 7, 297. P. 1-12. URL: www.mdpi.com/journal/applsci.
17. Mansour Fakhri, Pezhouhan T. Kheiry, Mirg-hasemi A.A. (2012). Modeling of the permanent deformation characteristics of SMA mixtures using discrete element method, Road Materials and Pavement Design, №13:1. P. 67-84.
18. Asfal'tobetonnye pokrytija [Asphalt pavement] / I.V. Korolev, V.A. Zolotarev i dr.; pod red. M.I. Volkova. Doneck: Donbass, 1970. P. 34-47.
19. Zolotarev V.A. Dolgovechnost' dorozhnyh asfal'tobetonov [Durability of road asphalt concrete]. Harkiv: Vishha shkola, 1977. 116 p.
20. Sumishi asfal'tobetonni i asfal'tobeton dorozhnij. Metody vyprobuvan': DSTU B V.2.7-319:2016 [Mixtures of asphalt concrete and road asphalt. Test methods: DSTU B V.2.7-319: 2016] (Chynnij vid 01.07.2016). Kyiv: DP «UkrNDNC», 2017. 75 p. (Nacional'nyj standart Ukrai'ny).
21. Zolotar'ov V.O. Doslidzhennja v'jazkosti bitumu pri stacionarnomu ta ciklichnomu deformuvanni
[Investigation of the viscosity of bitumen in stationary and cyclic deformation] Avtomobil'ni dorogi i dorozhne budivnictvo. Kiiv, 2002. Vip. 12. Р. 105-110.
22. Zolotarev V.A., Maljar V.V., Lapchenko A.S. Reologicheskie svoj stva asfal'topolimerbetonov pri dinamicheskom rezhime deformirovanija. [Rheological properties of asphalt polymer concrete in dynamic deformation]. Nauka i tehnika v dorozhnoj otrasli. 2008. № 1. P. 10-13.
23. Psjurnik V.A., Chuguenko S.A., Oprishko A.V., Zolotarev V.A.. Rol' volokon v formirovanii fizi-ko-mehanicheskih svojstv shhebenochno-mastichnogo asfal'tobetona [The role of fibers in the formation of physical and mechanical properties of crushed stone mastic asphalt concrete] Vestnik HNADU. 2005. № 30. P. 203-206.
24. Zolotarev V.A., Chuguenko S.A., Galkin A.V. O vzaimosvjazi svojstv bitumopolimernyh vjazhushhih i sdvigoustojchivosti asfal'tobetona [The relationship between the properties of bituminous polymer binders and shear stability of asphalt concrete] Avtoshljahovik Ukrainy. 2004. № 3. Р. 25-30.
Псюрник Володимир Олександрович, к.т.н., проф. каф. ТДБМiХ, [email protected], тел. +380678128161
Маляр Володимир Володимирович, к.т.н, доцент каф. ТДБМiХ, [email protected], тел. +0380677189941
Харювський нащональний автомобшьно-дорожнш унiверситет, Украша, Харюв, 61002, вул. Ярослава Мудрого, 25.
The effect of stabilizing additives on deformation performance of stone matrix asphalt
Abstract. The goal of the research is to establish the effect of stabilizing additives on a number of deformation and strength indicators responsible for ensuring the durability of stone matrix asphalt (SMA), which are the complex modulus of elasticity, shear stability and bending tension. The modulus of elasticity value measurement was made on KhNA-HU's vibration table using electrodynamic transducer in the temperature range from -20 °C to +50 °C. In the deformation frequency range from 0.01 Hz to 50 Hz, shear stability was estimated by the value of shear limit strength at the temperature of 50 °C on special cylinder samples in conditions of their torsion (simple shear). The bending tension value was estimated on beam sample at different load application rate at the design temperatures of 20 °C, 10 °C and 0 °C. According to temperature dependences of modulus of elasticity, the estimate of SMA physical parameters, such as conditional mechanical glass transition temperature, viscoplastic transition temperature, temperature sensitivity of material and plasticity coefficient, was obtained. The values of shear limit strength with different stabilizing additives (VIATOP, DOLONIT) were obtained. A correlation between shear stability and compressive
strength at the temperature of 50 °C was established. Comparison of deformation properties of SMA with asphalt concrete and polymer asphalt concrete using the same consistency of binder was made. The effectiveness of SMA hardening by different stabilizing additives on the basis of temperature dependences of bending strength was determined. The plastic range and temperature sensitivity values of SMA are similar to those of asphalt concrete and polymer asphalt concrete. These parameters are mainly determined by the properties of binder, such as penetration, softening temperature, etc. Polymer asphalt concrete has the highest value of plastic range and the lowest one of temperature sensitivity. The similar patterns are obtained for shear stability. The choice of stabilizing additives affects the deformation-strength properties of SMA. To improve durability of SMA, it is necessary to use polymer modified bitumen.
Key words: stone matrix asphalt, stabilizing additives, deformation indicators, rheological properties, shear stability, crack resistance.
Psiurnyk Volodymyr Oleksandrovych, Professor, Candidate of Engineering Science, tel. +38-067-81281-61, e-mail: [email protected] Maliar Volodymyr Volodymyrovych, Associate Professor, Candidate of Engineering Science, tel. +38-067-718-99-41, e-mail: [email protected] Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
Влияние стабилизирующих добавок на деформационные показатели щебеночно-мастичного асфальтобетона
Аннотация. Проведены исследования влияния стабилизирующих добавок на значения модулей упругости ЩМА при разных температурах и условиях деформирования, исследована сдвиго-устойчивость ЩМА. Выполнено сравнение полученных результатов с асфальтобетонами на обычных та битумополиммерных вяжущих. Изучено влияние разновидностей стабилизирующих добавок на изменение показателя прочности на изгиб в зависимости от температуры испытания.
Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующие добавки, деформационные показатели, реологические свойства, сдвигоустойчивость, трещиностойкость.
Псюрник Владимир Александрович, к.т.н., проф. каф. ТДСМиХ, [email protected], тел. +380678128161
Маляр Владимир Владимирович, к.т.н, доцент каф. ТДСМиХ, [email protected], тел.. +0380677189941
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Украина, Харьков, 61002, ул. Ярослава Мудрого, 25.
