Особенности структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона

В структурном отношении щебеночно-мастичный асфальтобетон отличается от других видов асфальтобетона настолько сильно, что его принято относить к самостоятельной группе дорожно-строительных материалов.

Принципиальное различие обнаруживается уже на макроструктурном уровне при формировании минерального состава асфальтобетона. Если подбор зернового состава для большинства дорожных смесей обычно основан на получении наибольшей плотности уплотненного материала, то в ЩМА этот принцип не действует.

Зерновые составы ЩМА характеризуются высоким содержанием фракционированного щебня (порядка 70-80% по массе), который должен обладать улучшенной формой зерен для создания максимально устойчивого каркаса в уплотненном слое покрытия. Чтобы лучше определить особенности структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона производилось сравнение его с плотным асфальтобетоном типа А и с высокоплотным асфальтобетоном (ВПА), которые, как правило, применяются для устройства верхних слоев покрытий на дорогах высоких технических категорий.

Минеральная часть асфальтобетона типа А включает 50-60% щебня с размером зерен крупнее, а количество минерального порошка ограниченно пределами 4-8% по массе.

Высокоплотный асфальтобетон  включает необходимый для создания каркаса объем щебня (55-65%), ограниченное количество преимущественно мелкого песка и высокое содержание минерального порошка (10-16%).

Зерновые составы минеральной части, подобранные на основе щебня с максимальной крупностью зерен 15 мм и принятые для приготовления сопоставляемых асфальтобетонных смесей, показаны на графике.

Асфальтобетонные смеси готовились при различном содержании битумного вяжущего, которое варьировали с шагом 0,5% от массы минеральной части, чтобы установить оптимальный комплекс показателей физико-механических свойств для каждой смеси.

В результате лабораторных испытаний образцов было установлено, что щебеночно-мастичный асфальтобетон занимает особое место. Пористость минерального остова щебеночно-мастичного асфальтобетона оказалась выше, чем у асфальтобетона Типа А, и значительно больше пористости минерального остова высокоплотного асфальтобетона, причем этот показатель увеличивается пропорционально содержанию битума в отличие от других типов смесей.

Из представленных данных следует, что плотный и высокоплотный асфальтобетоны подчиняются известному правилу створа, обнаруживая минимальную пористость минерального остова при оптимальном содержании битумного вяжущего в смеси. Тогда как щебеночно-мастичный асфальтобетон характеризуется неуклонным ростом пористости минерального остова от 16 до 18% по мере увеличения содержания битумного вяжущего от 5 до 6,5%.

Повышение содержания битума приводит к снижению остаточной пористости любого асфальтобетона, однако у щебеночно мастичного асфальтобетона этот процесс выражен в несколько раз слабее, чем у плотного и высокоплотного асфальтобетонов.

При изменении содержания битума в смеси на 1% по массе остаточная пористость изменяется на 5% у высокоплотного асфальтобетона, на 3% у плотного асфальтобетона и всего на 1% - у щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Аналогично изменяются и показатели водонасыщения рассматриваемых асфальтобетонов. Прирост водонасыщения, вызванный снижением содержания битума на 1%, составляет 3% у асфальтобетона типа А и всего 1% - у ЩМА.

Результаты проведенных исследований показали, что структура щебеночно мастичного асфальтобетона предусматривает раздвижку минерального остова и присутствие в уплотненном материале слабоструктурированного и объемного битума. Более толстые пленки асфальтового вяжущего в щебеночно-мастичном асфальтобетоне приближают его к литому асфальтобетону, однако по степени структурирования битума минеральным порошком, содержанию щебня и по поровой структуре эти материалы не идентичны.

Присутствие объемного битума в ЩМА способствует увеличению его деформативности при растяжении, но в то же время приводит к резкому снижению когезионной прочности материала, особенно при положительных температурах.

В результате показатели прочности при сжатии у щебеночно-мастичного асфальтобетона оказываются более низкими. Прочность щебеночно-мастичного асфальтобетона также не подчиняется правилу створа.

Максимум прочности у высокоплотного асфальтобетона обнаруживается при остаточной пористости 2,5 %, у асфальтобетона типа А - при 3,5 %, а у щебеночно мастичного асфальтобетона максимум прочности не обнаруживается во всем регламентируемом диапазоне значений остаточной пористости.

Похожие зависимости были установлены и для показателя когезионного сцепления при сдвиге при 50 °С.

Примечательно, что этот показатель у щебеночно-мастичного асфальтобетона также оказался значительно ниже, чем у асфальтобетона типа А. Сцепление ЩМА при сдвиге неуклонно снижается по мере повышения содержания вяжущего от 5 до 6,5 %, а экстремум у этой зависимости также не обнаруживается в отличие от асфальтобетона типа А.

Исходя из высоких требований к сдвигоустойчивости дорожных и аэродромных покрытий, низкий показатель когезионного сцепления щебеночно-мастичного асфальтобетона при сдвиге, очевидно, необходимо компенсировать высоким и стабильным внутренним трением минерального остова.

При правильно подобранном составе щебеночно-мастичный асфальтобетон имеет стабильно устойчивый минеральный остов, сформированный на основе одномерного кубовидного щебня.

Таким образом, структура щебеночно-мастичного асфальтобетона в зависимости от напряженно-деформированного состояния оптимально сочетает максимальную жесткость при трехосном сжатии и сдвиге и одновременно максимальную податливость и высокую деформативность при растяжении. Указанные реологические свойства асфальтобетона особенно важны для обеспечения сдвигоустойчивости и трещиностойкости дорожных покрытий в условиях фактического напряженно-деформированного состояния конструктивных слоев при эксплуатации.