Динамические методы испытания асфальта по ГОСТ 58406 и ГОСТ 58401

Согласно концепции развития «опорной сети» автодорог России, разработанной ГК «Автодор», Федеральным дорожным агентством и Аналитическим центром при Правительстве РФ, к 2035 году общая протяженность скоростных автомобильных дорог может увеличиться до 17,6 тыс. км. Поскольку с каждым годом интенсивность и грузонапряженность на трассах растет, требуется менять подход при проектировании и строительстве автомобильных дорог, а также использовать высококачественные материалы.

За последние восемь лет в НИИ ЛАДОР были изучены и успешно внедрены на дорогах Свердловской области асфальтобетонные смеси по ГОСТ 58406 и ГОСТ 58401. Данные стандарты направлены на улучшение качества устраиваемых покрытий. Благодаря новому подходу в проектировании и методиках испытаний, сроки эксплуатации дорожных покрытий увеличились в несколько раз. Но необходимо и дальше развивать долговечность автомобильных дорог, и здесь на помощь приходят более современные методы испытаний – динамические (ГОСТ 58406, ГОСТ 58401, ГОСТ Р 58400.1-2019 и ГОСТ Р 58400.2-2019).

К основным видам динамических испытаний следует отнести:

В настоящее время стандартами нормируется только один вид динамических испытаний, а именно число пластичности; остальные виды используются для набора статистических данных. В основном учитываются эксплуатационные показатели: коэффициент водостойкости и колея. Эти показатели однозначно влияют на долговечность, но есть ряд факторов, которые, к сожалению, не учитываются.

Так, более высокие требования предъявляются лишь к верхним слоям покрытия, поскольку именно их всегда относили к наиболее важным. Нижний слой при этом считали выравнивающим, который нужно срезать, когда верхний пришел в негодность. При этом нижний слой покрытия – это основа для правильной эксплуатации верхнего. В зависимости от региона и условий эксплуатации верхний слой может эксплуатироваться от 5 до 20 лет до следующего ремонта. В нынешних условиях нижний слой обычно срезают вместе с верхним.

Специалисты нашего испытательного центра начали активно анализировать результаты динамических методов испытаний, обращая особенное внимание на усталостную прочность при многократном изгибе. Ниже, на рис. 1 показана установка для испытания асфальтобетона на динамические методы испытаний (DTS-30), на рис. 2 – специальная пила для подготовки проб (B040); на рис. 3 показаны образцы балки для испытаний.

Рис. 1

Серво-гидравлическая испытательная система для динамических испытаний с нагрузкой 30 кН (DTS-30)

Рис. 2 (а, б)

Автоматический отрезной станок с двумя дисками для идеально параллельной резки асфальтобетонных образцов B040

Рис. 3

Подготовленные образцы с пилы B040

Рис. 4

Образец асфальта в форме для определения усталостной прочности при многократном изгибе

Рис. 5

Четырехточечный изгиб

Рис. 6

Сжимающая нагрузка

При испытании используется специальная форма для определения усталостной прочности при многократном изгибе (рис. 4), в которую вставляется асфальтобетонная балка и задается следующий режим испытания:

Амплитуда деформации (μE) – 250 мкм/м;
Частота приложения нагрузки (Hz) – 10 Гц;
Температура испытания – 20°С.

В процессе испытания происходит четырехточечный изгиб (рис. 5). Как можно заметить (см. рис. 6), сверху на покрытии происходит сжимающая нагрузка, которая в меньшей степени разрушает покрытие сверху, при этом прогиб сверху получается меньше, чем снизу. В свою очередь, внизу происходит растягивающая нагрузка, которая и приводит к разрушениям.

Следовательно, усталостным нагрузкам в большей степени подвержены нижние слои покрытия, которым нужно уделять внимание в большей степени. На примере ЩМА 16 нами было изучено влияние различных вяжущих и модификаторов на усталостную долговечность (см. табл.).


Наименование показателя	БНД 70/100	БНД 70/100 мо- дификатор № 1	БНД 70/100 модифика- тор № 2	БНД 70/100 модифика- тор № 3	Битумное вяжущее PG 64-34	ПБВ 60	ПБВ 60 Модифи- катор 2
Динамическая вязкость при 60°С, Pa·s	151				428	823
Сдвиговая устойчивость (G∙sinδ) при 10 рад/с	X 58 (1,31)				X 64 (1,23)	X 76 (1,1)
Средняя глубина колеи, мм (ЩМА-16, плита)	5,5	3,1	2,5	3,7	4,1	2,4	1,6
Усталостная прочность, до падения модуля жесткости на 50%	8560	15784	22139	59720	79573	87621	121453
Модуль жесткости испытуемого образца на 50-м цикле, МПа	2624	3108	3326	2638	1375	1325	1511

Результаты указывают на то, что усталостная прочность на классическом битуме имеет очень низкие показатели; при введении модификаторов в асфальтобетонные смеси усталостная прочность возрастала, однако при этом возрастал и модуль жесткости. Это говорит о том, что первые два модификатора улучшают колею за счет повышения жесткости смеси, при этом усталостная прочность возрастает несущественно. Такие асфальтобетоны будут сильнее подвержены образованию трещин в условиях отрицательных температур.

Третий модификатор показал существенный рост по усталостной прочности, при этом модуль жесткости остался на изначальном уровне. Хорошие показатели получились на полимерных вяжущих марки PG и ПБВ, усталостная прочность выросла примерно в 10 раз, при этом модуль жесткости стал ниже в 2 раза по сравнению с битумом.

Единственный минус: битум марки PG 64-34 показал не самые выдающиеся характеристики по колее, испытанной на плите, так как сдвиговая устойчивость у вяжущего находится на нижнем пределе: 1,23 при 10 рад/с. Тем самым сопротивляемость битума при 64°С крайне низкая, и в целом такой битум можно охарактеризовать как хороший (X 58).

При испытаниях на колейность самый лучший результат показал образец на ПБВ 60 с модификатором. Усталостная прочность выросла в 14 раз, при этом модуль жесткости остался ниже, чем у битума.

При переходе на новые ГОСТы (ГОСТ 58406, ГОСТ 58401, ГОСТ Р 58400.1-2019 и ГОСТ Р 58400.2-2019) мы смогли добиться больших успехов в производстве и укладке асфальтобетонных смесей. Выполняя требования стандартов, мы достигли того, что теперь наши смеси имеют ряд достоинств, в том числе:

пластическая деформация в смесях низкая;
верхние слои покрытия в Екатеринбурге изнашиваются (абразивный износ) в течение 10 лет;
смеси больше не переуплотняются.

С появлением методик по изучению динамических нагрузок стало ясно, что основную нагрузку берет на себя именно нижний слой, к которому следует обязательно применять повышенные требования по вяжущему.
Верхний же слой нужно укладывать с учетом дополнительной толщины в 3 см – на износ. Данные мероприятия помогут существенно увеличить срок эксплуатации покрытий, что приведет к значительной экономии в будущем.

А.Ю. Дедюхин, канд. техн. наук, директор испытательного центра НИИ ЛАДОР (г. Екатеринбург)

CRM-форма появится здесь