Об оценке низкотемпературных свойств битумных вяжущих. Часть 1

В период 2016–2019 годов в РФ была разработана и утверждена нормативная документация на битумные вяжущие (ГОСТ Р 58400–2019), основанная на американских стандартах Superpave — комплексной системе проектирования составов асфальтобетонных смесей. В качестве одного из направлений Superpave включает систему классификации вяжущих (маркировка по PG), позволяющую на основе новых (неэмпирических)методов исследований и нормативных показателей прогнозировать поведение вяжущих в асфальтобетонах на протяжении всего срока службы с учетом климатических особенностей региона укладки покрытия и транспортной нагрузки.

Создание и внедрение PG-спецификации (Superpave) вяжущих в США началось более 30 лет назади было ориентировано на климатические условия региона. Считалось, что подбор вяжущего в соответствии с требованиями PG-спецификации поможет существенно снизить количество дефектов покрытия. 

Superpave определяет три основных вида дефектов асфальтобетонного покрытия, в образование которых вносит вклад вяжущее, — колея пластичности, сетка усталостных трещин, низкотемпературные поперечные трещины. Согласно современным представлениям, вклад вяжущего в образование колеи составляет около 40 %, в образование усталостных и низкотемпературных трещин — около 60 и около 90 %, соответственно. Следует отметить, что Superpave не учитывает влияние вяжущего на возникновение такого дефекта, как абразивный износ дорожного покрытия под воздействием шипованных шин. При этом практический опыт подтверждает, что вклад вяжущего в этот дефект составляет 15–20 %.

Исследование битумных вяжущих для прогнозирования поведения дорожных покрытий при отрицательных температурах представляет особый интерес. При этом испытания вяжущих являются хорошей альтернативой испытаниям асфальтобетонов, с учетом того, что вклад вяжущего в образование низкотемпературных трещин доходит до 90 %.

В паспортах к битумам и полимерно-модифицированным вяжущим в нашей стране обычно приводят температуру разрушения по Фраасу. Испытание по Фраасу по ГОСТ 33143 проводят на тонкой пленке вяжущего (0,5 мм), нанесенной на тонкую металлическую пластину, которая охлаждается с высокой скоростью (1 °C/мин) и многократно изгибается до разрушения пленки. Температура при разрушении регистрируется как температура хрупкости по Фраасу (Fraas Breaking Point).

Преимущество этой процедуры заключается в том, что она характеризует поведение вяжущего при разрушении, но ее часто обвиняют в плохой воспроизводимости(до 6 °C). Это объясняется трудностями в подготовке испытательных образцов, особенно при работе с модифицированными вяжущими и различиями в режимах проведения испытаний (ручной, полуавтоматический, полностью автоматический).

В соответствии с методологией Superpave, в основу низкотемпературных испытаний битумных вяжущих положено утверждение, что образование поперечных трещин происходит в статических условиях в отсутствие транспортной нагрузки за счет усадочных напряжений, возникающих в покрытии при понижении температуры. 

Принципиальная схема испытаний битумных вяжущих по методологии Superpave в соответствии с ГОСТ Р 58400.1 и ГОСР58400.2 представлена на рисунке 1. Низкотемпературные испытания представлены тремя стандартами: ГОСТ Р 58400.7 (BBR), ГОСТР 58400.9 (DSR4 mm) и ГОСТ Р58400.11 (ABCD).

Первоначальная PG-спецификация предписывала проведение низкотемпературных испытаний последовательно RTFO и PAV состаренных битумов по BBR-тесту или по сочетанию BBR-теста и теста на прямое растяжение DTT, который в настоящее время практически не используется. 

Скорость деформации, используемая в тесте DTT, выше, чем скорость термической деформации в полевых условиях на порядки; измеренная прочность на разрыв может не отражать значение напряженности в реальных условиях. 

На рисунке 2 приведены изображение балочки битума, установленной в BBR-реометре и принципиальная схема испытаний в соответствии с BBR-тестом. 

В ходе испытания при температурах –12, —18, —24, —30, —36 °C (с шагом 6 °) измеряют вертикальную деформацию (deflection) изгибающейся балочки битума и на кривой зависимости жесткости ползучести (Creep Stiffness) от времени, построенной в координатах log S (t) — logt, определяют жесткость вяжущего S (60) через 60 секунд после начала нагружения и величину m (60) — наклон касательной к кривой в точке t=60 секунд, (рисунок 3). Рассчитывают температуру, при которой жесткость достигает предельного значения 300 МПа, а m (60) снижается до 0,3.

Оценка, основанная на этой системе классификации, как считается, работает нормально с большинством не модифицированных вяжущих, но результаты для химически или физически модифицированных вяжущих вызывают много вопросов.

В том же AASHTO M320 вместе с тестом BBR была предложена еще одна схема классификации с привлечением метода Direct Tension (DT). Идея заключалась в том, что значение теста BBR на высокую жесткость при ползучести подразумевает, что битумное вяжущее будет обладать термическими напряжениями в холодную погоду в результате усадки. Предполагается, что вследствие этих высоких термических напряжений в асфальтобитумном вяжущем образуются трещины. Однако некоторые битумные вяжущие (особенно модифицированные эластомерами) могут проявлять достаточно большое удлинение без разрушения, при этом они могли поглощать эти высокие термические напряжения без растрескивания. DT идентифицирует эти асфальтобетонные вяжущие путем измерения деформации при разрушении. Поэтому, если деформация при разрушении составляет 1,0 % или более, вяжущее, скорее всего, будет поглощать более высокие термические напряжения без растрескивания, а допустимая спецификация жесткости при ползучести может быть повышена до 600 МПа. Минимальное значение m, равное 0,300, должно при этом выполняться. 

Сочетание BBR- и DT-тестов было введено для учета как жесткости, так и низкотемпературной прочности битумного вяжущего. Однако оказалось, что тест BBR-DT не дает надежных результатов. Кроме того, BBR-DT не измеряет напрямую температуру растрескивания вяжущего. Вместо этого используется аналитическая процедура, которая требует знания коэффициентов теплового расширения (CTE) вяжущих в качестве входных данных, а также таких показателей, как жесткость из теста BBR и прочность из теста DT. При этом ни один стандартный метод испытаний не позволяет определить CTE; это оставляет некоторую неопределенность при использовании этих методов испытаний для выбора вяжущего, которое будет максимально устойчивым к растрескиванию при низких температурах. Следует отметить, что, в отличие от температуры хрупкости по Фраасу, BBR-тест не является испытанием на разрушение, а характеризует только изменение жесткости вяжущего при постоянной небольшой нагрузке. 

Прогнозирование на основании такого испытания температуры разрушения в отсутствие нагрузки, это вопрос корреляции, которой может не быть, например, при несоблюдении принципа температурно-временной суперпозиции, что может быть связано с химическим составом вяжущего, его структурными особенностями и термостабильностью. Неоднократно отмечалось также, что BBR-тест, подобно всем «ранним» методикам Superpave, ориентирован на проведение испытаний в области линейной вязко-упругости и не может достоверно предсказывать поведение модифицированных вяжущих в процессе эксплуатации.

Конец 1-й части статьи. Продолжение доступно по ссылке.