3 Практическое занятие №6

Тема: Контроль качества асфальтобетонных смесей

3. 1 Теоретические основы

Рост интенсивности движения и увеличения в его составе числа тяжелых грузовых автомобилей, требуют существенного повышения качества асфальтобетонных покрытий и применение новых улучшенных и более совершенных, как минеральных, так и вяжущих материалов, а также более современных методов контроля качества при не приготовлении.

Битумные и битумоминеральные композиции являются одним из наиболее распространенных смесей при строительстве дорожных покрытий. В 80% случаев причиной преждевременного выхода из строя асфальтобетонных покрытий является трещинообразование. Оно вызвано возросшей интенсивностью движения, большим разнообразием эксплуатационных нагрузок, действующих на дорожное покрытие в сложных погодно-климатических условиях, характерных для нашей страны, а также нерешенность проблем достоверного определения разновидностей битумов и битумоминеральных материалов, способных противостоять эксплуатационным воздействиям.

Асфальтобетонная смесь – рационально подобранная смесь минеральных материалов [щебня (гравия) и песка с минеральным порошком или без него] с битумом, взятых в определенных соотношениях и перемешанных в нагретом состоянии.

Асфальтобетон – уплотненная асфальтобетонная смесь.

Асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны в зависимости от вида минеральной составляющей подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

Смеси в зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке подразделяют на:

горячие, приготавливаемые с использованием вязких и жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее "плюс" 120 ^о С;

холодные, приготавливаемые с использованием жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее "плюс" 5 ^о С. Горячие смеси и асфальтобетоны в зависимости от наибольшего размера минеральных зерен подразделяют на:

крупнозернистые с размером зерен до 40 мм;

мелкозернистые с размером зерен до 20 мм;

песчаные с размером зерен до 5 мм.

Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

Щебеночные и гравийные горячие смеси и плотные асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы:

А с содержанием щебня св. 50 до 60 %;

Б с содержанием щебня св. 40 до 50 %;

В с содержанием щебня св. 30 до 40%.

Щебеночные и гравийные холодные смести и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы Бх и Вх.

Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30% по массе;

Д и Дх – на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70% по массе.

Таблица 2 – Прочностные характеристики асфальтобетонов

Наименование показания	Значения для асфальтобетонов марки
	I			II			III
	I	II,III	IV,V	I	II,III	IV,V	I	II,III	IV,V
Предел прочности при сжатии при температуре 50 оС, МПа, не менее, для асфальтобетонов: высокоплотных	1,0	1,1	1,2	-	-	-	-	-	-
плотных типов: А	0,9	1,0	1,1	0,8	0,9	1,0	-	-	-
Б	1,0	1,2	1,3	0,9	1,0	1,2	0,8	0,9	1,1
В	-	-	-	1,1	1,2	1,3	1,0	1,1	1,2
Г	1,1	1,3	1,6	1,0	1,2	1,4	0,9	1,0	1,1
Д	-	-	-	1,1	1,3	1,5	1,0	1,1	1,2
Предел прочности при сжатии при температуре 20 о С	2,5	2,5	2,5	2,2	2,2	2,2	2,0	2,0	2,0
Предел прочности при сжатии при температуре 0 о С для асфальтобетонов всех типов, МПа, не более	9,0	11,0	13,0	10,0	12,0	13,0	10,0	12,0	13,0
Водостойкость, не менее: плотных асфальтобетонов	0,95	0,90	0,85	0,90	0,85	0,80	0,85	0,75	0,70
высокоплотных асфальтобетонов	0,95	0,95	0,90	-	-	-	-	-	-
плотных асфальтобетонов при длительном водонасыщении	0,90	0,85	0,75	0,85	0,75	0,70	0,75	0,65	0,60
высокоплотных асфальтобетонов при длительном водонасыщении	0,95	0,90	0,85	-	-	-	-	-	-

3.2 Методика выполнения работы

Сущность методов заключается в определении нагрузки, необходимой для разрушения образца.

3.2.1. Оборудование, приборы, инструменты и материалы: пресс гидравлический МС-100, набор цилиндров разного диаметра (1,8 см, 3 см, 7 см), линейка, штангенциркуль, термометр химический ртутный стеклянный с ценой деления 1 ^оС, вырубки из асфальтобетонного покрытия.

3.2.2. Ход работы.

Предел прочности при сжатии определяют традиционным способом по ГОСТ 12801 – 02 и путем вдавливания в вырубку цилиндров разного диаметра.

Перед испытанием образцы – вырубки или керны (цилиндрические образцы) тщательно очищают, измеряют толщину, составляют описание внешних признаков, отмечая степень однородности распределения составляющих материалов. От вырубки при традиционном испытании отделяют три образца с ненарушенной структурой массой 200 – 400 г каждый. Образцы должны быть без трещин и иметь форму, приближающуюся к кубу или прямоугольному параллепипеду со сторонами 5 – 10 см. Образцы – керны испытывают целиком.

При определении предела прочности при сжатии путем вдавливания цилиндров разного диаметра используют образцы – вырубки, размерами не менее 20 х 20 (см).

Предел прочности при сжатии определяют по формуле:

Р

Rсж = --------- , (3.1)

F

где Р – разрушающая нагрузка, кН;

F – площадь поперечного сечения образца, кв.см.

3.2.2.1. Определение предела прочности при сжатии традиционным способом

Перед испытанием образцы выдерживают при заданной температуре (50 + 2) ^о С, (20 + 2) ^о С или (0 + 2) ^о С. Образцы горячего асфальтобетона (дегтебетона) выдерживают в течение 1 ч в водяной бане вместимостью 3 – 8 л (в зависимости от количества и размера образцов), образцы холодного асфальтобетона (дегтебетона) – 2 ч в воздушной среде в емкости того же объема. Температура (0 + 2) ^о С создают смешением воды со льдом.

Предел прочности при сжатии асфальтобетонных (дегтебетонных) образцов определяют на прессах при скорости деформирования образца 3 мм/мин.

Образец, извлеченный из водяной или воздушной бани, устанавливают в центре нижней плиты пресса, затем опускают верхнюю плиту и начинают нагружать образец. Для уменьшения потерь тепла образцов при соприкосновении с металлическими плитами между образцом и плитами прокладывают плотную бумагу. Максимальное показание силоизмерителя принимают за разрушающую нагрузку. Полученные результаты заносят в таблицу.

3.2.2.2. Определение предела прочности при сжатии путем вдавливания цилиндров разного диаметра.

Образцы – вырубки перед испытанием подготавливают аналогично описанию (разд. 2.2. и 2.2.1.). Устанавливают подготовленный образец – вырубку на нижнюю плиту пресса, устанавливают на образец – вырубку вертикально цилиндр большего диаметра, пресс включают и начинают нагружать образец – вырубку через цилиндр, до разрушения образца. Максимальное показание силоизмерителя принимают за разрушающую нагрузку. Полученные результаты заносят в таблицу.

Испытания повторяют, используя цилиндр среднего диаметра, затем минимального. Все результаты заносят в таблицу.

Таблица 3 – Определение предела прочности при сжатии образцов

Метод определения предела прочности при сжатии	Диаметр цилиндра, d, см	Площадь поперечного сечения, кв.см	Разрушающая нагрузка, Р, кН	Предел прочности при сжатии, Rсж, МПа
Традиционный 1 2	-
Вдавливание цилиндров 1 2 3	7 3 1,8

По результатам испытаний строят графики зависимости R = f (d), оценивают, делают вывод при каком методе и каком диаметре цилиндров получена максимальная прочность образцов.

3.3 Оформление отчета по практической работе

Отчет оформляется в тетради для практических работ с указанием темы, кратким описанием теоретических основ, указанием приборов, оборудования, инструментов, материалов, с заполнением таблицы, построением графиков и соответствующим выводом по работе.

В процессе эксплуатации автомобильной дороги на ее дорожную одежду воздействуют ряд факторов, которые влияют в целом на состо­яние дороги, а в частности на состояние покрытия.

Одним из таких факторов являются сдвигающие напряжения, действующие на нежесткое дорожное покрытие из асфальтобетона. Для уменьшения воздействий сдвигающих напряжений в асфальтобетонные смеси вводят модифицирующие добавки. От наличия добавок, а также от качества каменного заполнителя, битума и других материалов за­висят свойства асфальтобетонов.

Меняя состав асфальтобетонных смесей, можно изменять свойства асфальтобетона, в том числе и сдвигоустойчивость. Изменение количества крупного заполнителя или вида и количества модифицирующих добавок позволяет достигнуть максимальной сдвигоустойчивости при оптимальном содержании щебня или модифицирующей добавки.

4 Практическое занятие № 7

Тема: Оценка сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий

4.1 Теоретические основы

Практика эксплуатации асфальтобетонных покрытий показывает, что наибольшей сдвигоустойчивостью обладают щебеночные асфальтобетоны, а наименьшей – песчаные. Предложенный способ /1/ оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона позволяет получать более достоверную и надежную информацию о фактической сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий по сравнению со стандартным способом.

Стандартный способ испытаний асфальтобетонных покрытий заключается в оценке критерия сдвигоустойчивости по прочности при сжатии, что недостаточно, так как дает противоречивую оценку сдвигоустойчивости. При данном способе оценки сдвигоустойчивости предпочтение отдается песчаным и малощебенистым асфальтобетонам. В действительности это не так.

При использовании в качестве критерия сдвигоустойчивости прочности при сдвиге, то есть с использованием прибора (рисунок 1), предпочтение получают асфальтобетоны с повышенным содержанием щебня (более 45 %), имеющим более высокую сдвигоустойчивость.

Рисунок 1 - Прибор по определению сдвигоустойчивости

1 - форма-цилиндр (камера прибора); 2 - образец; 3 – штамп;

4 - направляющая втулка; 5 - упорное кольцо; 6 - подставка;

7 - образующая поверхности сдвига.

Буквенные обозначения:

Pi - прилагаемая нагрузка (усилие нагружения) измеренная в i-ый промежуток времени, Н;

h - начальная высота образца , см;

d₁ - диаметр штампа, см;

Н - высота штампа, см;

d₂ - внутренний диаметр упорного кольца основания, см;

α - угол, образованный поверхностью сдвига и направлением прилагаемого усилия, град;

Нобщее i - суммарная высота штампа и образца при каждом измерении в i – ом промежутке времени, см;

δi - деформация сдвига образца в i-ом промежутке времени, см.

Внедрение предлагаемого способа в практику дорожного строи­тельства позволит более точно проектировать составы асфальтобе­тонных смесей и прогнозировать их одвигоустойчивость в дорожных покрытиях в теплый период года (см. рисунок 2).

4.2 Оборудование, инструменты и материалы

Пресс гидравлический 10 т, пресс гидравлический 100 т, прибор по определению сдвигоустойчивости, электроплита, топор, молоток, формы - цилиндры, мастерок, весы с разновесами, термометр, вырубки из асфальтобетонного покрытия, стружка пластмассовых отходов бытовой про­мышленности, резиновая крошка, ДСТ (дивинил стирольный термоэластопласт), технический углерод, стружка из полиэтиленовых пленок, индустриальное масло.

4.3 Объект исследования

Переформованные образцы из обычной асфальтобетонной смеси, взятой из асфальтобетонного покрытия и из смесей, приготовленных с использованием модифицирующих добавок.

4.3.1 Изготовление образцов из разных видов смесей

Перед проведением испытаний предварительно изготавливают об­разцы из разных видов смесей в следующей последовательности:

- выбирают вырубку размерами около 20 х 20 см;

- измельчают ее топором или молотком до кусочков размером около 2 x 2 см:

- полученный материал известного рецепта (например, горячий плотный асфальтобетон может содержать: отсева гранитного - 50 %; песка природного - 44 %; минерального порошка - 6 %; битума сверх минеральной части - 8,5 %), помещают в тазик и, перемешивая, разогревают до температуры «плюс» 70 ^о С;

- измеряют геометрические размеры всех элементов формы - ци­линдра и определяют ее объем;

— форму (цилиндр с вкладышем) подогревают до температуры «плюс» 50 ^о С и смазывают отработанным или индустриальным маслом;

- взвешивают подогретую асфальтобетонную смесь отдельно для каждого образца, ею заполняют подготовленную форму - цилиндр,

уплотняя штыкованием;

- ставят образец под пресс, прилагают нагрузку 40 МПа;

- выдерживают под нагрузкой в течение 3 мин.

Примечание: для дальнейших испытаний образец из формы –

цилиндра не извлекают.

Аналогично изготавливают образцы с применением разного про­центного содержания других модифицирующих добавок. При этом резиновую крошку предварительно растворяют в индустриальном масле, резино­вый порошок нет.

Рисунок 2 - Графики распределения прочности и касательных напряжений

4.3.2 Проведение испытаний и вычисление напряжения сдвига

Изготовленный образец 2, находящийся в форме - цилиндре 1 с вкладышем - упорным кольцом 5 устанавливают на подставку 6. Свер­ху устанавливают направляющую втулку 4. По центру образца устанав­ливают штамп 3 с помощью направляющей втулки 4. Цилиндр вместе с

Образцом и штампом устанавливают на подставку нижней плиты пресса (10 т).

Нагружают образец с постоянной скоростью деформирования и че­рез заданные промежутки времени измеряют прилагаемую нагрузку -

усилие нагружения и деформацию сдвига образца.

Испытание заканчивают при достижении максимальной нагрузки, то есть когда образец разрушится.

Используя усилие нагружения, по формуле (1) вычисляют напряжение сдвига:

τ = (z ^. P ^. cos α) / π ^. h ^. (d₁ + d₂) , (4.1)

где Р – прилагаемая разрушающая нагрузка (усилие нагружения), Н;

π = 3.14; h - высота образца, м;

d₁- диаметр штампа, м;

d₂ - внутренний диаметр упорного кольца основания, м;

α – угол, образуемый поверхностью сдвига и направлением прилагаемого усилия (рисунок 1), град.

Относительную деформацию сдвига образца вычисляют по формуле:

γ = δ / h , (4.2)

где δ - деформация сдвига образца;

δ = δ₁ + δ₂ + δ₃ + δ₄ + … + δ_n , (4.3)

h - высота образца, м.

Сдвигоустойчивость испытываемого асфальтобетона рассчитывают по формуле:

G = τ / γ , (4.4)

где τ - напряжение сдвига, МПа;

относительная деформация сдвига - относительная деформация сдвига.

Испытания проводят для разных по составу смесей. Результаты испытаний заносят в таблицу 1.

Таблица 3 – Результаты расчета

Номер лаборатор-ной работы	Номер испытаний	Состав асфальто-бетонной смеси	Напря-жение сдвига, τ , МПа	Относи-тельная деформа-ция сдвига, γ	Сдвиго- устойчи вость асфальто- бетона, G
1	1 2 3
2	1 2 3
3	1 2 3

5 Практические занятия 8-9

Тема: Определение прочности материалов конструктивных слоев дорожных одежд, приготовленных с использованием неорганических вяжущих

5.1 Теоретические основы

Срок службы дорожных одежд с цементобетонным покрытием оценивается по динамике изменения коэффициента прочности:

К пр = [ Q ] / Q max, ( 5.1 )

где [ Q ] – нагрузка, допускаемая для данной конструкции с учетом температурных напряжений и усталостных явлений, кН;

Q max – нагрузка на колесо наиболее тяжелого транспортного средства, кН. Обследование дорог с цементобетонным покрытием показывает, что их состояние не вполне благополучно на значительном протяжении (а/д Москва – Киев, обход г. Брянска и др.): ступенчатость между плитами, шелушение поверхности отдельных плит, сколы кромок и углов плит, отсутствие в некоторых местах герметизирующего материала и т.д. Интенсивно разрушаются сами слои из цементобетона.

Поэтому актуальна разработка новых современных конструкций дорожных одежд с фибробетонным, полимерцементобетонным и бетонным покрытием с затворением смеси последнего омагниченной водой.

Как показывает зарубежный опыт, в Германии главным направлением при конструировании дорожных одежд и цементобетонным покрытием является стремление уменьшить в последующем толщину слоя покрытия за счет уменьшения расстояния между швами и размеров плит (в экстремальном случае длина плиты 100 см, толщина – 10 см). Недостатком таких направлений является увеличение длины швов, снижения массы плит. Достаточного опыта эксплуатации покрытий из бетонных монолитных плит малого размера ещё не получено. Австралийские дорожники при строительстве цементобетонных покрытий большое внимание уделяют устройству узких швов сжатия (2…3мм) без герметизации. Ширина раскрытия швов во время эксплуатации составляет 0,1 мм, что, свидетельствует о высокой степени передачи нагрузки с плиты на плиту. Узкие швы сжатия также широко используются при строительстве цементобетонных покрытий в Испании, Англии, Германии.

В настоящее время существует довольно много способов и аппаратов для магнитной обработки жидкостей, в том числе воды.

Известен аппарат для магнитной обработки с вихревым движением жидкости, содержащей магнитный цилиндрический корпус, соединенный с ним по касательной с входным патрубком, выходным патрубком и магнитом.

Недостатком этого аппарата является низкое качество обработки жидкости, обусловленное недостаточным воздействием магнитного поля на естественно движущуюся по каналу жидкость.

Наиболее лучшим техническим решением является способ магнитной обработки воды, включающий спирально-винтовое движение жидкости в зоне электромагнитного поля, в котором с целью повышения эффективности обработки подбирается число пересекаемых жидкостью полей, число пульсаций поля в единицу времени – частота, а также напряженность поля – регулируются силой тока в индукторе. На установке кафедры "Строительных материалов" водопроводную воду необходимо омагничивать при напряжении 36, 60 и 70 В с постоянной скоростью. Обработанная электромагнитным полем вода должна выдерживаться в течение 15 минут, после чего её можно использовать для приготовления цементобетонной смеси.

Прочность является основной характеристикой бетона. Наиболее распространенным методом определения прочности бетона являются испытания до разрушения специально изготовленных для этой цели образцов. Такие образцы изготавливают и хранят без непосредственной связи с бетоном конструкции, стремясь создать условия твердения бетона, близкие к естественным условиям твердения бетона в конструкции или сооружении. Определение прочности этим методом давно стандартизировано и называется стандартным.

При испытаниях на сжатие определяют главным образом две характеристики бетона: его проектную марку по прочности на осевое сжатие на основании испытания кубов или цилиндров и призменную прочность по данным испытания призм (см. раздел 3 МУ).

Помимо разрушающих методов существуют неразрушающие методы испытания бетонных конструкций и изделий. К ним относятся: оценка прочности бетона по ударному отпечатку, акустические методы контроля и ряд других.

Оценка прочности бетона по ударному отпечатку на его поверхности производится при помощи ряда приборов: эталонным молотком К. П. Кашкарова; прибором Шмидта, молотком Физделя и т.д.

Наиболее распространен молоток К. П. Кашкаров.

Принцип действия эталонного молотка К. П. Кашкарова заключается в том, что удар по бетону (образцу) наносится взмахом эталонного молотка.

При ударе боек (стальной шарик диаметром 15мм) оставляет на поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром dб, а на эталонном стержне (круглого сечения из Ст.3 диаметром 10мм) – отпечаток диаметром dэт. По поверхности бетона наносится серия ударов, определяется усредненное отношение dб/dэт; прочность бетона оценивается по корреляционной зависимости между dб/dэт и пределом прочности бетона на сжатие, устанавливаемой экспериментально.

К неразрушающим методам контроля качества бетона непосредственно в конструкции также относятся:

акустические (ультразвуковые и более низких частот); при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радиоизотопные и др.).

Акустические методы основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала.

При исследовании бетонных конструкций наиболее распространен ультразвуковой метод (частота от 20тыс. Гц и выше).

Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, преломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их положения при данном методе контроля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние дефекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д.

По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема прозвучивания: сквозное, когда излучатель, возбуждающий колебания, и приемник, воспринимающий их, расположены с противоположных сторон исследуемого объекта; с использованием отражения, “эхо-метод”, когда излучатель и приемник располагают на одной и той же стороне, что особенно существенно при возможности одностороннего доступа к объекту. Кроме того, “эхо-метод” удобен для использования не двух, а одного приемопередающего преобразователя, который последовательно посылает упругие волны и сам же принимает их отражения.

По характеру излучения следует отметить: метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колебаний переменного тока постоянной частоты;

импульсный метод, получивший самое широкое распространение при исследованиях бетона.

В этом случае к преобразователю через определенные, достаточно малые, промежутки времени, например 25 или 50 раз в 1с, подаются короткие серии (“пакеты”) колебаний высокой частоты.

Регистрация ультразвуковых колебаний производится с помощью специальной аппаратуры.

В бетонных и железобетонных конструкциях возможно:

0. определение прочности бетона по корреляционным зависимостям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочностью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразвуковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и режима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и деталей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений.

1. Контроль однородности бетона в сооружениях;

2. Выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозвучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона до 10м и более) и путем измерений на поверхности конструкций; о наличии и характере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхности (так называемый метод годографа).

3. Определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, расположения слоев разной плотности и т.п.