ОДМ 218.3.026-2012 Рекомендации по применению высокоплотных асфальтобетонов на основе полимерно-битумных вяжущих для покрытий автомобильных дорог в различных климатических условиях Российской Федерации

     4 Общие положения

4.1 Высокоплотные асфальтобетоны характеризуются высокой усталостной прочностью, износостойкостью, водо- и морозостойкостью, присущей литым асфальтобетонам, а также в течение длительного времени сохраняют шероховатость, свойственную высокощебенистым смесям и по своей поровой структуре занимают промежуточное положение между литыми и уплотняемыми асфальтобетонами, отличаясь низкой пористостью минерального остова.

4.2 Применение ПБВ по ГОСТ Р 52056 в составе высокоплотных асфальтобетонов взамен битумов по ГОСТ 22245 позволяет значительно повысить его качество, так как даже при сопоставлении значений показателей гарантированных указанными нормативными документами очевидны значительные преимущества ПБВ, а главное - их свойства в отличие от битумов можно регулировать в широких пределах и следовательно учитывать фактические климатические условия и условия движения автомобилей, при которых эксплуатируются дорожные, мостовые и аэродромные покрытия в любом регионе России.

4.3 Работоспособность покрытия, его ровность, отсутствие или наличие дефектов на нем является важнейшей, а в ряде случаев и главной характеристикой потребительского качества автомобильной дороги, аэродрома или моста, так как она определяется быстро и визуально.

4.4 Комплексное решение, позволяющее значительно повысить межремонтные сроки службы без образования дефектов в виде трещин, сдвигов, коллей, шелушений, выкрашиваний, выбоин на дорожных, мостовых и аэродромных покрытиях при условии обеспечения требуемой капитальности дорожной одежды и работоспособного водоотвода, заключается в проведении следующих мероприятий:

- для устройства верхнего слоя покрытия из высокоплотного асфальтобетона и поверхностной обработки, устраиваемых одновременно, рекомендуется применять ПБВ по ГОСТ Р 52056, удовлетворяющие требованиям, которые продиктованы климатическими условиями, условиями движения автомобилей в районе эксплуатации покрытия и не противоречащие требованиям действующих государственных стандартов;

- поверхностная обработка, возобновляемая по мере её износа, предназначена, в первую очередь, для обеспечения требуемой безопасности движения автомобилей, а также для значительного повышения сроков службы верхнего слоя покрытия за счет исключения его износа и проникания в материал покрытия и в другие конструктивные слои дорожной одежды атмосферных осадков, а также агрессивных жидкостей;

- в целях исключения образования отраженных трещин на покрытиях подгрунтовка под верхним слоем покрытия должна выполнять роль трещинопрерывающей прослойки в течение межремонтного срока службы покрытия;

- в целях минимизации стоимости производства работ в процессе ремонта и реконструкции дорожной одежды, в частности, снижения толщины верхнего слоя до минимально возможной, но не менее 5 см, рекомендуется устраивать слой усиления, необходимый для обеспечения требуемой капитальности дорожной одежды, выполняемый из смесей на основе высоковязких вяжущих, характеризуемых высоким расчетным модулем упругости.

4.5 Специфические условия дорожных мостовых и аэродромных покрытий в России определяются суровым и резко континентальным климатом, с одной стороны, с низкими отрицательными температурами, так температура воздуха наиболее холодных суток колеблется от минус 63 °С до минус 9 °С, то есть изменяется в 7 раз (на 622%), для 98% населенных пунктов России составляет от минус 22 °С до минус 63 °С (СНиП 23.01.99 [1]), в том числе для 75% населённых пунктов - ниже минус 37 °С, а для 50% - ниже минус 43 °С; а с другой стороны поверхность покрытия в жаркие летние дни может нагреваться до высоких положительных температур, так расчетная температура сдвигоустойчивости покрытия, то есть максимально возможная средняя температура его поверхности, определенная по методике Я.Н.Ковалева на основе температуры воздуха, радиационного и теплового баланса асфальтобетонного покрытия, его альбедо (коэффициент отражения) и скорости ветра колеблется в среднем в России от 55 °С до 62 °С (для 90% населённых пунктов от 57,5 °С до 62 °С ) - то есть изменяется в 1,13-1,08 раза (на 8-13%) - существенно меньше, чем низкие отрицательные температуры; температурный интервал, в котором работает покрытие, достигает 117 °С. Кроме того в потоке автомобилей значительную часть составляют грузовые, которые и определяют повышенные динамические воздействия на покрытия, увеличивая амплитуду прогиба, провоцируя усталостные процессы и ускоряя накопления пластических деформаций и микротрещин.

4.6 Исходя из перечисленных в п.4.5 климатических условий эксплуатации покрытий в целях обеспечения их требуемой трещиностойкости и сдвигоустойчивости температура трещиностойкости высокоплотного асфальтобетона на основе ПБВ должна быть не выше температуры воздуха наиболее холодных суток района их эксплуатации, а сдвигоустойчивость должна обеспечиваться при температурах не ниже расчетной температуры сдвигоустойчивости покрытия, определенной по методике Я.Н.Яковлева. Для выполнения этой задачи применяемое ПБВ должно сохранять работоспособность во всем диапазоне эксплуатационных температур: не переходить в хрупкое состояние при низких отрицательных и в текучее при высоких положительных температурах.

4.7 Исходя из условий движения автомобилей, обуславливающих многократные динамические воздействия колес автомобилей на покрытия высокоплотный асфальтобетон на основе ПБВ должен обладать высокой усталостной и долговременной прочностью. Для этого ПБВ должно обладать высокой эластичностью (способностью к большим обратимым деформациям), которая присуща эластомерам.

4.8 Температура трещиностойкости асфальтобетона на основе ПБВ () в целях обеспечения требуемой трещиностойкости покрытия принимается равной или более низкой, чем температура воздуха наиболее холодных суток района эксплуатации покрытия. Для выполнения этой задачи требуемые значения температуры хрупкости ПБВ по Фраасу () рассчитывается по следующей формуле:

                                          (1)

Определение температуры хрупкости () асфальтобетона на основе ПБВ, то есть температуры, при которой высока вероятность появления трещины на покрытии, рассчитывается по следующей формуле:

                                          (2)

4.9 В целях обеспечения требуемой сдвигоустойчивости покрытия температура размягчения ПБВ, используемого для приготовления асфальтобетона, должна быть не ниже расчетной температуры сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия, рассчитанной по методике Я.Н.Ковалева. При этом исходим из представления о том, что в составе асфальтобетона часть органического вяжущего находится в объемном состоянии и именно она в первую очередь способствует образованию дефектов в виде колей, волн, наплывов.

4.10 В целях обеспечения высокой выносливости асфальтобетонных покрытий с применением ПБВ (высокой усталостной и долговременной прочности) замедлению образования сдвигов и сетки трещин показатель эластичности этого вяжущего должен быть не менее 85% при 25 °С и не менее 75% при 0 °С для дорог I и II категории и не менее 80% и 70%, соответственно, для дорог более низких категорий, а в зависимости от марки ПБВ соответствовать требованиям ГОСТ Р 52056.

4.11 В целях обеспечения высокой коррозионной стойкости покрытия, исключения дефектов в виде шелушений, выкрашиваний, выбоин ПБВ, используемые для приготовления высокоплотного асфальтобетона должны содержать необходимое количество поверхностно-активных веществ двойного действия, предпочтительно с активными малеиновыми группами. При этом показатель сцепления со щебнем и песком, входящими в состав высокоплотного асфальтобетона на основе ПБВ должен удовлетворять требованиям "выдерживает по контрольному образцу N 2" (ГОСТ 11508 Метод А).

4.12 Анализ климатических условий в России свидетельствует о том, что значения наиболее низких отрицательных температур воздуха, а следовательно, и покрытия изменяются в несопоставимо большем диапазоне, чем наиболее высокие положительные температуры поверхности асфальтобетонных покрытий, что требует уделять особое внимание показателям свойств асфальтобетона при отрицательных температурах: трещиностойкости и морозостойкости. Такая ситуация обуславливает необходимость и целесообразность климатического районирования территории России по критерию: температура воздуха наиболее холодных суток. Учитывая этот критерий в технических заданиях на проектирование строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог, мостов и аэродромов, а также в основной части проектов и в ППР, необходимо закладывать соответствующие требования к температуре трещиностойкости высокоплотного асфальтобетона на основе ПБВ и соответствующие требования к температуре хрупкости ПБВ по Фраасу.

4.13 Основываясь на приведенных в СНиП 23.01.99 [1] данных о температуре воздуха наиболее холодных суток, полученных в результате многолетнего круглосуточного анализа температур воздуха на всей территории России, рекомендуется климатическое районирование России состоящее из 19 зон, каждая из которых содержит 3 значения температуры воздуха наиболее холодных суток, что соответствует значению сходимости при определении температуры хрупкости битума или ПБВ (3 °С) по Фраасу в соответствии с требованиями ГОСТ 11507.

4.14 На основании рекомендуемого климатического районирования выбрано 5 зон: NN 5, 7, 8, с температурами воздуха наиболее холодных суток от минус 51 °С до минус 42 °С, представляющие около 43% населенных пунктов в России, N 11 со средними значениями этого критерия - от минус 41 °С до минус 30 °С, представляющие еще 28% населенных пунктов и N 15 с самым высоким значением этого критерия - от минус 26 °С до минус 9 °С, представляющие 10% населенных пунктов России. Для каждой из выбранных зон выбраны конкретные населенные пункты: г.г.Ачинск, Тюмень, Екатеринбург, Санкт-Петербург, Семлячики, для которых требуемая температура трещиностойкости асфальтобетона составляет не выше минус 49 °С, минус 45 °С, минус 42 °С, минус 33 °С, минус 19 °С соответственно (см. п.4.9), расчетная температура сдвигоустойчивости покрытия составляет 60 °С, 59 °С, 58 °С, 52 °С соответственно. Для этих городов подобраны составы ПБВ и высокоплотных асфальтобетонов на их основе требуемого качества, определены комплексы показателей их свойств, построены графики зависимости показателей их свойств и содержания компонентов от выбранного критерия, позволяющие рассчитать сметную стоимость этих материалов в проектах и составить представление об их ориентировочных составах при строительстве покрытий автомобильных дорог в любом регионе России в соответствии с климатом и условиями движения автомобилей. Кроме того полученные данные позволили сопоставить качество высокоплотных асфальтобетонов на основе битумов и ПБВ, а также сопоставить свойства вяжущих.

4.15 Для указанных населенных пунктов рассчитаны по формуле (1) необходимые значения температуры хрупкости ПБВ по Фраасу, позволяющие обеспечить требуемую трещиностойкость покрытия, которые составили соответственно не выше: минус 56,4 °С, минус 51,9 °С, минус 48,4 °С, минус 38 °С, минус 21,9 °С и приняты необходимые значения температуры размягчения ПБВ по методу "Кольцо и Шар" равные расчетной температуре сдвигоустойчивости покрытия, позволяющие обеспечить требуемую сдвигоустойчивость верхнего слоя покрытия в первую очередь для дорог I и II категории, мостов и аэродромов не ниже 62 °С, 61 °С, 60 °С, 54 °С, соответственно.

4.16 Во всем рассматриваемом диапазоне климатических условий России для приготовления ПБВ на основе битума марки БНД 60/90, полимера марки ДСТ-30-01 и пластификатора - индустриального масла марки И-40А необходимо введение в битум (Приложение Д таблица 8) от 3% до 4,2% полимера - блоксополимера бутадиена и стирола типа СБС и от 10% до 38% пластификатора - индустриального масла, то есть содержание полимера изменяется в 1,4 раза (на 40%), а пластификатора в 3,8 раз (на 280%), свидетельствуя о важнейшей роли пластификатора для обеспечения требуемого комплекса свойств ПБВ. При этом для обеспечения требуемых сдвигоустойчивости и трещиностойкости высокоплотных асфальтобетонов на основе ПБВ для выбранных населенных пунктов России оптимальные составы ПБВ характеризуются следующими основными эксплуатационными показателями (Приложение Д таблица 9): температурами размягчения () в пределах от 55 °С до 63 °С и температурами хрупкости () в пределах от минус 24 °С до минус 59 °С, то есть изменяется в 1,14 раза (на 14,8%), а - в 2,46 раза (на 146 %). Очевидно, что получение дорожных битумов с такими показателями свойств ниже минус 25 °С и более 50 °С одновременно, существующими способами из имеющегося на нефтеперерабатывающих предприятиях сырья или за счет добавки только пластификатора невозможно. ПБВ в отличие от битумов при высоких значениях , характеризуются высокой пенетрацией при 25 °С (126x0,1-340x0,1) мм и при 0 °С (68x0,1-252x0,1) мм, что позволяет получить асфальтобетонные смеси с высокой удобоукладываемостью и уплотняемостью, а после уплотнения асфальтобетон с высокой сдвигоустойчивостью при высоких положительных температурах и одновременно с высокой пластичностью и деформативностью при низких температурах и трещиностойкостью при отрицательных температурах.

4.17 Оптимальные составы высокоплотных полимерасфальтобетонов (Приложение Д таблица 10) на основе ПБВ требуемого качества, гранитного щебня фракций: 15-20 мм; 10-15 мм; 5-10 мм; Сычёвского песка и минерального порошка Песковского комбината, пригодные для устройства верхнего слоя покрытия во всем диапазоне рассмотренных климатических условий содержат от 55% до 61% щебня, от 27% до 19% песка, от 18% до 20% минерального порошка, от 4,6% до 4,5% ПБВ. При этом наиболее резкое изменение состава наблюдается при наиболее низких температурах воздуха наиболее холодных суток ниже минус 40 °С и предполагает применение ПБВ с минимальной вязкостью, что и вызывает необходимость развивать минеральный остов асфальтобетона и одновременно увеличивать степень структурированности ПБВ. Для этого приходится увеличивать содержание щебня с 57% до 61% (преимущественно наиболее крупной фракции) и минерального порошка с 19% до 20%, резко снижать содержание песка, который отрицательно влияет на сдвигоустойчивость покрытия с 24% до 19% при неизменном содержании ПБВ и снижении его вязкости с 290х0,1 мм до 340х0,1 мм.

4.18 Высокоплотный асфальтобетон на основе ПБВ для всех рассмотренных регионов России характеризуется низкими значениями остаточной пористости от 1,5 до 1,8%, водонасыщения от 1,0 до 1,5% и достаточно высокими объемами замкнутых пор от 16,7 до 38,9%, что и объясняет его высокую водостойкость, в том числе при длительном водонасыщении и морозостойкость. Максимальный объем замкнутых пор в асфальтобетоне на основе ПБВ характерен для регионов с температурой воздуха наиболее холодных суток в пределах от минус 43 °С до минус 32 °С. Одновременное длительное воздействие воды и льда (попеременное замораживание и оттаивание) оказывает значительно большее деструктирующее воздействие на высокоплотный асфальтобетон на основе ПБВ, предназначенный для регионов с температурой наиболее холодных суток ниже минус 40 °С и приготовленный на основе ПБВ с низкой вязкостью ( выше 200x0,1 мм), что, предположительно, связано с разрывом не только адгезионных, но и когезионных связей.

4.19 Высокоплотные асфальтобетоны на основе ПБВ характеризуются заметным снижением стандартных показателей свойств: пределов прочности при сжатии при 20 °С и 0 °С только для условий, где температура воздуха наиболее холодных суток ниже минус 45 °С и соответственно применяются для его приготовления наименее вязкие ПБВ со значениями более 300x0,1 мм, для остальных регионов эти показатели практически неизменны и соответствуют требованиям ГОСТ 9128.