ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты лабораторных исследований, направленных на оценку влияния гранулометрического состава минеральной части на физико-механические свойства горячих плотных асфальтобетонных смесей типа Б. Изготовлено пять серий образцов с различным распределением зёрен щебня, песка и минерального порошка, охватывающих диапазон от нижней до верхней границы, установленных ГОСТ 9128–2013. Определены показатели предела прочности при сжатии, водостойкости по коэффициенту Кв, остаточной пористости и сдвигоустойчивости. Было установлено, что смеси с гранулометрической кривой, близкой к средней линии нормативного диапазона, обеспечивают оптимальное сочетание плотности, водостойкости и устойчивости к сдвигу. Полученные данные могут быть использованы при проектировании составов асфальтобетонных смесей для различных климатических и транспортных условий.

Ключевые слова: асфальтобетон, гранулометрический состав, плотность, водостойкость, сдвигоустойчивость, долговечность, ГОСТ 9128–2013.

Введение

Благодаря своим эксплуатационным и технологическим свойствам, асфальтобетон является одним из самых востребованных материалов для строительства дорог, автомагистралей, а также для обустройства придомовых территорий, парковых зон и спортивных объектов. Он гарантирует соответствие современным нормативам, регламентируемые государственными стандартами, обеспечивая безопасное и скоростное движение. Тем не менее, в условиях интенсивного трафика и больших нагрузок, долговечность асфальтобетонных покрытий уменьшается, поскольку его структурные характеристики не всегда соответствуют фактическим условиям эксплуатации.

Целью настоящего исследования является экспериментальное определение влияния положения гранулометрической кривой в пределах нормативного диапазона ГОСТ 9128–2013 на ключевые характеристики асфальтобетона: прочность и долговечность.

Методика исследования: исследования проводились в лаборатории кафедры «Дорожное строительство» Северо-Кавказского федерального университета в 2025 году.

Материалы:

– Щебень изверженных пород фракций 5–10 мм и 10–20 мм (марка по дробимости 1200);

– Песок природный (модуль крупности 2,1);

– Минеральный порошок (удельная поверхность 350 м²/кг);

– Битум нефтяной дорожный марки БНД 60/90 (ГОСТ 22245–90).

Подбор составов:

Согласно ГОСТ 9128–2013, для горячих плотных смесей типа Б (максимальный размер зерна 20 мм) установлены предельные значения содержания частиц по ситам. На основе этих требований были спроектированы пять составов (С1–С5), отличающихся положением гранулометрической кривой:

– С1 – близко к нижней границе (процентное соотношение по фракциям: 20 мм – 98%; 15мм – 95%; 10мм – 92%; 5мм – 59%);

– С2 – между нижней и средней (процентное соотношение по фракциям: 20 мм – 96%; 15мм – 93%; 10мм – 89%; 5мм – 57%);

– С3 – близко к средней линии (процентное соотношение по фракциям: 20 мм – 95%; 15мм – 90%; 10мм – 85%; 5мм – 55%; 2,5мм – 43%; 1,25 – 32%; 0,63 – 24%; 0,315 – 18%; 0,16 – 12%; 0,071 – 9%);

– С4 – между средней и верхней (процентное соотношение по фракциям: 20 мм – 93%; 15мм – 85%; 10мм – 75%; 5мм – 53%; 2,5мм – 45%; 1,25 – 35%; 0,63 – 26%; 0,315 – 20%; 0,16 – 14%; 0,071 – 10%);

– С5 – близко к верхней границе (процентное соотношение по фракциям: 20 мм – 91%; 15мм – 81%; 10мм – 72%; 5мм – 51%; 2,5мм – 47%; 1,25 – 36,5%; 0,63 – 27,5%; 0,315 – 21,5%; 0,16 – 15,5%; 0,071 – 11,5%).

Изготовление образцов:

Для каждого состава изготовлено по 6 цилиндрических образцов (Ø101,6 мм, h = 63,5 мм) по методике, регламентированной ГОСТ 12801–98. Уплотнение осуществлялось на вибропрессе при температуре 150 °C и усилии 100 кН.

Испытания:

– Предел прочности при сжатии при 20 °C и 50 °C – по ГОСТ 12801–98;

– Водостойкость – по коэффициенту Кв = Rₘ / R₀ (где Rₘ – прочность после водонасыщения, R₀ – в сухом состоянии);

– Остаточная пористость – по объёмному методу;

– Сдвигоустойчивость – по индексу сдвигоустойчивости Kₛ = σ₅₀ / σ₂₀, где σ₅₀ и σ₂₀ – пределы прочности при 50 °C и 20 °C соответственно. Сдвигоустойчивость — это способность асфальтобетонного покрытия сохранять форму и не деформироваться под действием горизонтальных (сдвиговых) усилий, возникающих от колёс автомобилей, особенно при торможении, разгоне или повороте. Безразмерный коэффициент, показывающий, насколько прочность сохраняется при нагреве:

σ₂₀ — предел прочности при сжатии при 20 °C (МПа)

σ₅₀ — предел прочности при сжатии при 50 °C (МПа)

Результаты и обсуждение.

Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики асфальтобетонных смесей

Анализ данных показывает, что состав С3, чья гранулометрическая кривая расположена вблизи средней линии нормативного диапазона, демонстрирует наилучшие показатели: минимальная остаточная пористость (3,9 %), максимальная прочность при 20 °C (3,4 МПа), высокая водостойкость (Кв = 0,88) и устойчивость к сдвигу (Kₛ = 0,44). Это подтверждает гипотезу о том, что оптимальная плотность минерального скелета достигается при сбалансированном соотношении крупных, средних и мелких фракций.

Составы, приближенные к границам (С1 и С5), характеризуются повышенной пористостью, что снижает их водостойкость и ускоряет старение битума. Особенно заметно снижение Kₛ у С5, что указывает на повышенную чувствительность к температурным деформациям.

Следует отметить, что утверждения о «непроницаемости крупных фракций для влаги» или «уходе мелких фракций в грунт» (встречающиеся в популярных источниках) не подтверждаются экспериментально и противоречат физике капиллярного движения в пористых средах. Влага проникает в асфальтобетон преимущественно через систему взаимосвязанных пор, а не через отдельные фракции.

Заключение

Гранулометрический состав минеральной части оказывает существенное влияние на плотность, водостойкость и сдвигоустойчивость асфальтобетона.

Наилучшие эксплуатационные характеристики достигаются при проектировании состава с гранулометрической кривой, близкой к средней линии, установленной ГОСТ 9128–2013.

Отклонения к границам нормативного диапазона приводят к росту пористости и снижению долговечности.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке типовых составов асфальтобетонных смесей для дорог II–III категорий в условиях умеренного климата.

Список литературы:

1. ГОСТ 9128–2013. Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия – М.: Стандартинформ, 2014. URL: https://www.mos.ru/upload/documents/files/6414/GOST9128-2013.pdf
2. ГОСТ 12801–98. Материалы на основе минеральных вяжущих… – М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. URL: https://ural.rosavtodor.gov.ru/storage/app/uploads/public/5a3/cc8/f95/5a3cc8f95e37a277368168.pdf?ysclid=mmsvdmigbb239814747
3. Кирюхин Г. Н. Асфальтобетон для дорожных и аэродромных покрытий. – М.: Транспорт, 2023. – 183 с. URL: https://matest.ru/uploads/literature/Asphalt_Concrete.pdf?ysclid=mmsve6xs4n85934943
4. Королев Е. В., Макаров А. Д. Физико – химия битумов и асфальтобетонов. – М.: Высшая школа, 2007. – 335 с.
5. Лебедев В. И. Дорожно-строительные материалы. – М.: Высшая школа, 1987. – 304 с.
6. Методические рекомендации по проектированию состава асфальтобетонных смесей. – М.: Росавтодор, 2020. URL: https://rosavtodor.gov.ru/storage/app/media/uploaded-files/16-odm2184036-2022.pdf?ysclid=mmsvf9rcna275462730
7. Протоколы испытаний №37 от 21.07.2025 Испытания по определению физико – механических характеристик асфальтобетона горячего, плотного, мелкозернистого, типа Б. – ФГАОУ ВО «СКФУ» кафедра «дорожного строительства».
8. Протоколы испытаний №38 от 21.07.2025 Испытания по определению физико – механических характеристик асфальтобетона горячего, плотного, крупнозернистого, типа Б. – ФГАОУ ВО «СКФУ» кафедра «дорожного строительства»