Эксплуатационные свойства асфальтобетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Асфальтобетон является наиболее распространенным материалом для устройства дорожных покрытий. Однако под воздействием возрастающих транспортных нагрузок и факторов окружающей среды срок службы асфальтобетонных покрытий недостаточно высок.

В связи с этим основной целью проектирования составов асфальтобетона является создание оптимальной структуры с заранее заданными свойствами, которые позволили бы обеспечить требуемые характеристики и долговечность устраиваемого дорожного покрытия.

Для достижения этой цели принято решать специальные задачи, связанные с испытаниями асфальтобетона и прогнозированием работоспособности асфальтобетонных слоев в дорожных конструкциях.

В ряде стран на государственном уровне финансировались стратегические научно-исследовательские программы, направленные на разработку новых методов проектирования составов и оценки эксплуатационных свойств асфальтобетона.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Информационный центр по автомобильным дорогам». Результаты проведенных исследований заслуживают внимания как в части методов испытаний, так и при разработке технических требований к асфальтобетону. Разработка технических требований к дорожно-строительным материалам является не только материаловедческой, но и экономической задачей.

С одной стороны, заниженные требования к дорожно-строительным материалам являются главной причиной преждевременного разрушения асфальтобетонных покрытий, что влечет за собой рост затрат на содержание и ремонт дорог и увеличение себестоимости транспортных перевозок.

С другой стороны, необоснованно завышенные требования к материалам приводят, как правило, к перерасходу средств и снижению эффективности капитальных вложений в дорожное строительство. Поэтому совершенствование методов испытаний и обоснование оптимальных требований к эксплуатационным свойствам асфальтобетона приобретают в настоящее время особую актуальность.



1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОНА

Целенаправленно проектировать состав горячей асфальтобетонной смеси начали в конце XIX - начале XX столетия. В разных районах мира были разработаны несколько отличающихся друг от друга методов подбора составов смеси. Каждый метод включал методику уплотнения горячей асфальтобетонной смеси, фиксированный уровень работы уплотнения, объем метрическую оценку поровых характеристик и механические испытания асфальтобетона. Из литературных источников известны следующие методы проектирования состава асфальтобетона:

- по объему воздушных пор и минимальному количеству битумного вяжущего в образцах, уплотненных по Проктору (метод Хаббарда-Филда);

- по прочностным показателям лабораторных образцов, испытываемых на приборах Хвима, Смита и др.;

- по остаточной пористости образцов, уплотненных и испытанных на приборах Маршалла;

- по асфальтовому вяжущему веществу (метод проф. П.В. Сахарова);

- по растворной части (метод Московского Ушосдора);

- по предельным кривым плотных смесей на основе исследований проф. Н.Н. Иванова (метод Союздорнии);

- по удельной поверхности и модулю насыщенности смеси вяжущим веществом (метод М. Дюрье);

- по заданным эксплуатационным условиям работы покрытия (метод проф. И.А. Рыбьева и другие современные методы).

При многообразии перечисленных выше методов неизменными остаются основные принципы проектирования смеси, ориентированные на обеспечение требуемых качественных признаков асфальтобетона, которые были сформулированы еще в начале прошлого века.

Качество асфальтобетона определяется в конечном итоге эксплуатационными свойствами и долговечностью устраиваемых дорожных покрытий. По способам достижения качественных признаков разрабатываемых составов асфальтобетонных смесей можно выделить два направления. Первое направление ориентируется на получение асфальтобетонных смесей с непрерывной гранулометрией минеральной части (по типу Макадам) и обеспечивает устойчивость покрытий в основном за счет расклинивания крупных зерен щебня более мелкими фракциями. К положительным качествам таких смесей относят высокую шероховатость и сдвигоустойчивость в покрытии, малую чувствительность свойств асфальтобетона к случайным колебаниям содержания минерального порошка и битума. достаточно высокую технологичность и удобоукладываемость в процессе устройства дорожного покрытия.

Для приготовления смесей типа битумных Макадам рекомендуют применять прочные каменные материалы с дробленой формой зерен. Кривая зернового состава минеральной смеси таких смесей обычно соответствует кубической параболе.

Покрытие из уплотненной смеси, как правило, характеризуется открытой пористостью, поэтому особенно важно применять в этих смесях такие битумы, которые являются устойчивыми к старению и обладают хорошим сцеплением с поверхностью минеральных зерен.

Второе направление базируется на подборах асфальтобетонных смесей по принципу плотного бетона. В этих смесях допускается применять минеральные материалы с прерывистой гранулометрией и окатанной формой зерен. При уплотнении таких смесей чаще достигается замкнутая пористость асфальтобетона, которая обеспечивает относительно более высокую водо- и морозостойкость покрытия. В то же время смеси, характеризующиеся прерывистой гранулометрией минеральной части, в большей степени склонны к сегрегации.

Им также свойственна более высокая восприимчивость к случайным колебаниям содержания минерального порошка и битума, что негативно отражается на показателях физико-механических свойств асфальтобетона. Устраиваемые из таких смесей дорожные покрытия обычно обладают низкой шероховатостью. Процесс проектирования состава асфальтобетонной смеси можно условно разделить на три этапа:

- на первом этапе определяют свойства минеральных материалов и битума и устанавливают соответствие их показателей специальным требованиям, которые регламентированы соответствующими техническими документами;

- на втором этапе устанавливают рациональное соотношение между исходными составляющими, которое обеспечивает получение асфальтобетона с заданными свойствами, причем в особых случаях дополнительно проводят сопоставительные исследования и испытания асфальтобетонов доступными нестандартными методами для выявления преимуществ оптимального состава по долговечности и эксплуатационным свойствам;

- на заключительном этапе рекомендуется производить технико-экономическое сравнение вариантов подобранных составов смесей и апробирование их на асфальтобетонном заводе.

Выбор оптимального состава асфальтобетона принято производить в зависимости от свойств исходных материалов, характера автомобильного движения и климатических условий местности, что всегда являлось определяющим условием строительства долговечных асфальтобетонных покрытий.

2. МЕТОДЫ ПОДБОРА СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

В России наибольшее распространение получил подбор составов минеральной части асфальтобетонных смесей по предельным кривым зерновых составов. Смесь щебня, песка и минерального порошка подбирают таким образом, чтобы кривая зернового состава расположилась в зоне, ограниченной предельными кривыми, и была по возможности плавной. Фракционный состав минеральной смеси рассчитывается в зависимости от содержания выбранных компонентов и их зерновых составов по следующей зависимости:

Где:

Yi - содержание i-й фракции в смеси, %;

j - номер компоненты;

n - количество компонент в смеси;

j - содержаниеj-й компоненты, %;

xij - содержание i-й фракции в j-й компоненте, %.

При подборе зернового состава асфальтобетонной смеси, особенно с использованием песка из отсевов дробления, необходимо учитывать содержащиеся в минеральном материале зерна мельче 0,071 мм., которые при нагреве в сушильном барабане выдуваются и оседают в системе пылеулавливания.

Эти пылевидные частицы могут либо удаляться из смеси, либо дозироваться в смесительную установку вместе с минеральным порошком. Порядок использования пыли улавливания оговаривается в технологическом регламенте на приготовление асфальтобетонных смесей с учетом качества материала и особенностей асфальты смесительной установки.

Содержание битума в смеси предварительно назначают исходя из рекомендаций или расчетов, после чего в лабораторной мешалке приготовляют асфальтобетонную смесь и формуют из нее 2-3 образца.

Далее в соответствии сГОСТ 12801-98 определяют среднюю и истинную плотность асфальтобетона и минеральной части и по их значениям рассчитывают остаточную пористость и пористость минеральной части. Если остаточная пористость не соответствует нормируемому значению, то вычисляют новое содержание битума Б (% по массе) по следующей зависимости:

С рассчитанным количеством битума вновь готовят смесь, формуют из нее образцы и снова определяют остаточную пористость асфальтобетона. Если она будет соответствовать требуемой, то рассчитанное количество битума принимается за основу. В противном случае процедуру подбора содержания битума, основанную на приближении к нормируемому объему пор в уплотненном асфальтобетоне, повторяют.

Из асфальтобетонной смеси с заданным содержанием битума формуют стандартным методом уплотнения серию образцов и определяют полный комплекс показателей физико-механических свойств, предусмотренный ГОСТ 9128-97. Если асфальтобетон по каким-либо показателям не будет отвечать требованиям стандарта, то состав смеси изменяют.

При недостаточной величине коэффициента внутреннего трения следует увеличивать содержание крупных фракций щебня или дробленых зерен в песчаной части смеси.

При низких показателях сцепления при сдвиге и прочности при сжатии при 50°С следует увеличивать (в допустимых пределах) содержание минерального порошка или применять более вязкий битум. При высоких значениях прочности при 0°С рекомендуется снижать содержание минерального порошка, уменьшать вязкость битума, применять полимерно-битумное вяжущее или использовать пластифицирующие добавки.

При недостаточной водостойкости асфальтобетона целесообразно увеличивать содержание минерального порошка либо битума, но в пределах, обеспечивающих требуемые значения остаточной пористости и пористости минеральной части. Для повышения водостойкости эффективно применять поверхностно-активные вещества (ПАВ), активаторы и активированные минеральные порошки. Подбор состава асфальтобетонной смеси считают завершенным, если все показатели физико-механических свойств, полученные при испытании асфальтобетонных образцов, будут отвечать требованиям стандарта. Однако в рамках стандартных требований к асфальтобетону состав смеси рекомендуется оптимизировать в направлении повышения эксплуатационных свойств и долговечности устраиваемого конструктивного слоя дорожной одежды.

Оптимизацию состава смеси, предназначенной для устройства верхних слоев дорожных покрытий, до последнего времени связывали с повышением плотности асфальтобетона. В связи с этим в дорожном строительстве сформировались три метода, применяемые при подборе зерновых составов плотных смесей. Первоначально они назывались как:

- экспериментальный (немецкий) метод подбора плотных смесей, заключающийся в постепенном заполнении одного материала другим;

- метод кривых, основанный на подборе зернового состава, приближающегося к заранее определенным математически «идеальным» кривым плотных смесей;

- американский метод стандартных смесей, основанный на апробированных составах смесей из конкретных материалов.

Эти методы были предложены около 100 лет назад и получили дальнейшее развитие.

Сущность экспериментального метода подбора плотных смесей заключается в постепенном заполнении пор одного материала с более крупными зернами другим более мелким минеральным материалом. Практически подбор смеси осуществляется в следующем порядке.

К 100 весовым частям первого материала добавляют последовательно 10, 20, 30 и т. д., весовых частей второго, определяя после их перемешивания и уплотнения среднюю плотность и выбирая смесь с минимальным количеством пустот в уплотненном состоянии.

Если необходимо составить смесь из трех компонентов, то к плотной смеси из двух материалов добавляют постепенно увеличивающимися порциями третий материал и также выбирают наиболее плотную смесь. Хотя данный подбор плотного минерального остова трудоемкий и не учитывает влияния содержания жидкой фазы и свойств битума на уплотняемость смеси, тем не менее он до сих пор применяется при проведении экспериментально-исследовательских работ.

Кроме того, экспериментальный метод подбора плотных смесей был положен в основу расчетных методов составления плотных бетонных смесей из сыпучих материалов различной крупности и получил дальнейшее развитие в методах планирования эксперимента. Принцип последовательного заполнения пустот использован в методике проектирования оптимальных составов дорожных асфальтобетонов, в которых используются щебень, гравий и песок с любой гранулометрией.

По мнению авторов работы, предлагаемая расчетно-экспериментальная методика позволяет оптимально управлять структурой, составом, свойствами и стоимостью асфальтобетона. В роли варьируемых структурно-управляющих параметров используются:

- коэффициенты раздвижки зерен щебня, гравия и песка;

- объемная концентрация минерального порошка в асфальтовом вяжущем;

- критерий оптимальности состава, выраженный минимальной общей стоимостью компонентов на единицу продукции.

По принципу последовательного заполнения пустот в щебне, песке и минеральном порошке был рассчитан ориентировочный состав смеси для асфальтобетонов повышенной плотности на основе жидких битумов.

Содержание компонентов в смеси вычислялось на основании результатов предварительно установленных значении истинной и насыпной плотности минеральных материалов. Окончательный состав уточнялся экспериментально при совместном варьировании содержанием всех компонентов смеси методом математического планирования эксперимента на симплексе. Состав смеси, обеспечивающий минимальную пористость минерального остова асфальтобетона, считался оптимальным.

Второй метод подбора зернового состава асфальтобетона основывается на подборе плотных минеральных смесей, зерновой состав которых приближается к идеальным кривым Фуллера, Графа, Германа, Боломея, Тэлбот-Ричарда, Китт-Пеффа и других авторов. Эти кривые в большинстве случаев представляются степенными зависимостями требуемого содержания зерен в смеси от их крупности. Например, кривая гранулометрического состава плотной смеси по Фуллеру задается следующим уравнением:

Где:

Y - содержание фракций с крупностью зерен мельче заданного размера х, %;

D - наибольшая крупность зерен в смеси, мм.

Для нормирования зернового состава асфальтобетонной смеси в современном американском методе проектирования «Superpave» также принимаются гранулометрические кривые максимальной плотности, соответствующие степенной зависимости с показателем степени 0,45.

Причем, кроме контрольных точек, ограничивающих диапазон содержания зерен, приводится также внутренняя зона ограничения, которая располагается вдоль гранулометрической кривой максимальной плотности в промежутке между зернами размером 2,36 и 0,3 мм. Считается, что смеси с гранулометрическим составом, проходящим по ограничительной зоне, могут иметь проблемы с уплотнением и сдвиговая устойчивость, так как они более чувствительны к содержанию битума и становятся пластичными при случайной передозировке органического вяжущего.

Следует отметить, что ГОСТ 9128-76 также предписывал для кривых зернового состава плотных смесей ограничительную зону, расположенную между предельными кривыми непрерывной и прерывистой гранулометрии. На рис. 1 эта зона заштрихована.

Рис. 1. - Зерновые составы минеральной части мелкозернистой:

Однако в 1986 г. при переиздании стандарта это ограничение было отменено, как несущественное. Более того, в работах Ленинградского филиала Союздорнии (А.О. Саль) было показано, что проходящие по заштрихованной зоне так называемые «полупрерывистые» составы смесей в ряде случаев предпочтительней непрерывных из-за меньшей пористости минеральной части асфальтобетона, а прерывистых - из-за большей устойчивости к расслоению.

В основу отечественного метода построения кривых гранулометрического состава плотных смесей легли известные исследования В.В. Охотина, в которых было показано, что наиболее плотную смесь можно получить при условии, если диаметр частичек, составляющих материал, будет уменьшаться в пропорции 1:16, а весовые их количества - как 1:0,43. Однако, учитывая склонность к сегрегации смесей, составленных с таким соотношением крупных и мелких фракций, было предложено добавлять промежуточные фракции. При этом весовое количество фракции с диаметром, в 16 раз меньшим, совершенно не изменится, если заполнять пустоты не просто этими фракциями, а, например, фракциями с диаметром зерен в 4 раза меньшего размера.

Если при заполнении фракциями в 16 раз меньшим диаметром их весовое содержание равнялось 0,43, то при заполнении фракциями диаметром зерен, в 4 раза меньшим, их содержание должно быть равным к = 0,67. Если ввести еще одну промежуточную фракцию с диаметром, уменьшающимся в 2 раза, то соотношение фракций должно быть к = 0,81. Таким образом, весовое количество фракций, которые будут все время уменьшаться на одну и ту же величину, можно выразить математически как ряд геометрической прогрессии:

Где:

Y1 - количество первой фракции;

к - коэффициент сбега;

n - число фракций в смеси.

Из полученной прогрессии выводится количественное значение первой фракции:

Таким образом, коэффициентом сбега принято называть весовое соотношение фракций, размеры частиц которых относятся как 1:2, т. е., как соотношение ближайших размеров ячеек в стандартном наборе сит.

Хотя теоретически самые плотные смеси рассчитываются по коэффициенту сбега 0,81, на практике более плотными оказались смеси с прерывистым зерновым составом.

Это объясняется тем, что представленные теоретические выкладки составления плотных смесей по коэффициенту сбега не учитывают раздвижку крупных зерен материала более мелкими зернами. В связи с этим еще П.В. Сахаров отмечал, что положительные результаты с точки зрения увеличения плотности смеси получаются только при ступенчатом (прерывистом) подборе фракций.

Если же соотношение размеров смешиваемых фракций меньше, чем 1:2 или 1:3, то мелкие частицы не заполняют промежуток между крупными зернами, а раздвигают их.

Кривые гранулометрического состава минеральной части асфальтобетона с различными коэффициентами сбега показаны на рис. 2.

Рис. 2. - Гранулометрический состав минеральной части асфальтобетонных смесей с различными коэффициентами сбега:

Позже было уточнено соотношение диаметров частиц смежных фракций, исключающих раздвижку крупных зерен в много фракционной минеральной смеси. По данным П.И. Боженова, чтобы исключить раздвижку крупных зерен мелкими, отношение диаметра мелкой фракции к диаметру крупной фракции должно быть не более 0,225 (т. е., как 1:4,44). Учитывая проверенные на практике составы минеральных смесей, Н.Н. Иванов предложил применять для подбора смесей кривые гранулометрического состава с коэффициентом сбега в пределах от 0,65 до 0,90.

Гранулометрические составы плотных асфальтобетонных смесей, ориентированные на удобоукладываемость, были нормированы в СССР с 1932 по 1967 гг. В соответствии с этими нормами асфальтобетонные смеси содержали ограниченное количество щебня (26-45%) и повышенное количество минерального порошка (8-23%). Опыт применения таких смесей показал, что в покрытиях, особенно на дорогах с тяжелым и интенсивным движением, образуются волны, сдвиги и другие пластические деформации. При этом шероховатость поверхности покрытий была также недостаточной, чтобы обеспечить высокое сцепление с колесами автомобилей, исходя из условий безопасности движения.

Принципиальные изменения в стандарт на асфальтобетонные смеси были внесены в 1967 г. В ГОСТ 9128-67 вошли новые составы смесей для каркасных асфальтобетонов с повышенным содержанием щебня (до 65%), которые стали предусматривать в проектах дорог с высокой интенсивностью движения. В асфальтобетонных смесях также было снижено количество минерального порошка и битума, что обосновывалось необходимостью перехода от пластичных к более жестким смесям.

Составы минеральной части много щебенистых смесей рассчитывались по уравнению кубической параболы, привязанной к четырем контрольным размерам зерен: 20;5;1,25 и 0,071 мм.

При исследовании и внедрении каркасного асфальтобетона большое значение придавалось повышению шероховатости покрытий. Методы устройства асфальтобетонных покрытий с шероховатой поверхностью нашли отражение в рекомендациях, разработанных в начале 60-х годов прошлого столетия и получивших первоначальное внедрение на объектах Главдорстроя Минтрансстроя СССР. По данным разработчиков, созданию шероховатости должно было предшествовать образование пространственного каркаса в асфальтобетоне. Практически это достигалось уменьшением количества минерального порошка в смеси, увеличением содержания крупных дробленых зерен, полным уплотнением смеси, при котором зерна щебня и крупных фракций песка соприкасаются между собой. Получение асфальтобетона с каркасной структурой и шероховатой поверхностью обеспечивалось при содержании 50-65% по массе зерен крупнее 5 (3) мм. в мелкозернистых смесях типа А и 33-55% зерен крупнее 1,25 мм. в песчаных смесях типа Г при ограниченном содержании минерального порошка (4-8% в мелкозернистых смесях и 8-14% в песчаных).

Рекомендации по обеспечению сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий в результате применения каркасных асфальтобетонов за счет повышения внутреннего трения минерального остова присутствуют и в зарубежных публикациях.

Например, дорожные фирмы из Великобритании при строительстве асфальтобетонных покрытий в тропических и субтропических странах специально применяют зерновые составы, подбираемые по уравнению кубической параболы.

Устойчивость покрытий из таких смесей обеспечивается главным образом в результате механической заклинки частиц угловатой формы, которые должны быть либо прочным щебнем, либо дробленым гравием. Применять недробленый гравий в таких смесях не разрешается.

Сопротивление покрытий сдвиговым деформациям можно повысить увеличением крупности щебня. В стандарте СШАASTM D 3515-96 были предусмотрены асфальтобетонные смеси, дифференцированные на девять марок в зависимости от максимальной крупности зерен от 1,18 до 50 мм.

Чем выше марка, тем крупнее щебень и тем меньше содержание минерального порошка в составе смеси. Кривые зерновых составов, построенные по кубической параболе, обеспечивают при уплотнении покрытия жесткий каркас из крупных зерен, который оказывает основное сопротивление транспортным нагрузкам.

В большинстве случаев минеральная часть асфальтобетонной смеси подбирается из крупнозернистой, среднезернистой и мелкозернистой составляющих. Если истинная плотность составляющих минеральных материалов существенно различается между собой, то содержание их в смеси рекомендуется рассчитывать по объему.

Проверенные на практике зерновые составы минеральной части асфальтобетонных смесей стандартизованы во всех технически развитых странах с учетом области их применения. Эти составы, как правило, согласуются между собой.

В целом принято считать, что наиболее разработанным элементом проектирования состава асфальтобетона является подбор гранулометрического состава минеральной части либо по кривым оптимальной плотности, либо по принципу последовательного заполнения пор. Сложнее обстоит дело с выбором битумного вяжущего нужного качества и с обоснованием его оптимального содержания в смеси. До сих пор отсутствует единое мнение о надежности расчетных методов назначения содержания битума в асфальтобетонной смеси.

Действующие экспериментальные методы подбора содержания вяжущего предполагают разные методы изготовления и испытания асфальтобетонных образцов в лаборатории и, главное, не позволяют достаточно надежно прогнозировать долговечность и эксплуатационное состояние дорожных покрытий в зависимости от условий эксплуатации.

П.В. Сахаров предлагал проектировать состав асфальтобетона по предварительно подобранному составу асфальтового вяжущего вещества. Количественное соотношение битума и минерального порошка в асфальтовом вяжущем веществе подбиралось экспериментально в зависимости от показателя пластической деформации (методом водоупорности) и от предела прочности на растяжение образцов-восьмерок. Учитывалась также и термическая устойчивость асфальтового вяжущего вещества сопоставлением показателей прочности при температурах 30, 15 и 0°С. На основании экспериментальных данных было рекомендовано придерживаться величин отношения битума к минеральному порошку по массе (Б/МП) в пределах от 0,5 до 0,2.

В итоге составы асфальтобетона характеризовались повышенным содержанием минерального порошка. В дальнейших исследованиях И.А. Рыбьева было показано, что рациональные значения Б/МП могут быть равны 0,8 и даже выше. Основываясь на законе прочности оптимальных структур (правиле створа), был рекомендован метод проектирования состава асфальтобетона по заданным эксплуатационным условиям работы дорожного покрытия. Констатировалось, что оптимальная структура асфальтобетона достигается при переводе битума в пленочное состояние.

В то же время было показано, что оптимальное содержание битума в смеси зависит не только от количественного и качественного соотношения компонентов, но и от технологических факторов и режимов уплотнения.

Поэтому научное обоснование требуемых эксплуатационных показателей асфальтобетона и рациональных способов их достижения продолжает оставаться основной задачей, связанной с повышением долговечности дорожных покрытий.

Существуют несколько расчетных способов назначения содержания битума в асфальтобетонной смеси как по толщине битумной пленки на поверхности минеральных зерен, так и по количеству пустот в уплотненной минеральной смеси.

Первые попытки их применения при проектировании асфальтобетонных смесей часто заканчивались неудачей, что вынуждало совершенствовать расчетные методы определения содержания битума в смеси. Н.Н. Иванов предлагал учитывать лучшую уплотняемость горячей асфальтобетонной смеси и некоторый запас на температурное расширение битума, если расчет содержания битума ведется по пористости уплотненной минеральной смеси:



Где:

Б - количество битума, %;

Р - пористость уплотненной минеральной смеси, %;

с6 - истинная плотность битума, г/см. куб.;

с - средняя плотность уплотненной сухой смеси, г/см. куб.;

0,85 - коэффициент уменьшения количества битума за счет лучшего уплотнения смеси с битумом и коэффициента расширения битума, который принят равным 0,0017.

Следует отметить, что расчеты объемного содержания компонент в уплотненном асфальтобетоне, включая объем воздушных пор или остаточной пористости, выполняются в любом методе проектирования в форме нормировки объема фаз. В качестве примера на рис. 3 приведен объемный состав асфальтобетона типа А в виде круговой диаграммы.

Рис. 3. - Нормировка объема фаз в асфальтобетоне:

В соответствии с этой диаграммой содержание битума (% по объему) равно разности между пористостью минерального остова и остаточной пористостью уплотненного асфальтобетона. Так, М. Дюрье рекомендовал методику расчета содержания битума в горячей асфальтобетонной смеси по модулю насыщения. Модуль насыщения асфальтобетона вяжущим веществом был установлен по экспериментальным и производственным данным и характеризует процентное содержание вяжущего в минеральной смеси, имеющей удельную поверхность 1 м. кв/кг.

Эта методика принята для определения минимального содержания битумного вяжущего в зависимости от зернового состава минеральной части в методе проектирования асфальтобетонной смеси LCPC. разработанном Центральной лабораторией мостов и дорог Франции. Весовое содержание битума по этому методу определяется по формуле:

Где:

к - модуль насыщения асфальтобетона вяжущим.

Где:

G - содержание зерен мельче 6,3 мм., %;

S - частный остаток на сите с отверстиями размером 0,315 мм., %;

s - частный остаток на сите с отверстиями размером 0,08 мм., %;

f - содержание зерен мельче 0,08 мм., %;

G - содержание зерен мельче 6,3 мм., %;

S - частный остаток на сите с отверстиями размером 0,315 мм., %;

s - частный остаток на сите с отверстиями размером 0,08 мм., %;

f - содержание зерен мельче 0,08 мм., %.

Методику расчета содержания битума по толщине битумной пленки существенно усовершенствовал И.В. Королев. На основании экспериментальных данных им произведено дифференцирование удельной поверхности зерен стандартных фракций в зависимости от природы горной породы. Было показано влияние природы каменного материала, крупности зерен и вязкости битума на оптимальную толщину битумной пленки в асфальтобетонной смеси.

Следующим шагом является дифференцированная оценка битумоемкости минеральных частиц мельче 0,071 мм. В результате статистического прогноза зерновых составов минерального порошка и битумоемкости фракций размером от 1 до 71 мкм в МАДИ (ГТУ) была разработана методика, позволяющая получать расчетные данные, удовлетворительно совпадающие с экспериментальным содержанием битума в асфальтобетонной смеси.

Другой подход к назначению содержания битума в асфальтобетоне основан на зависимости между пористостью минерального остова и зерновым составом минеральной части. На основании изучения экспериментальных смесей из частиц различной крупности японскими специалистами была предложена математическая модель пористости минерального остова (VMA). Значения коэффициентов установленной корреляционной зависимости были определены для щебеночно-мастичного асфальтобетона, который уплотнялся во вращательном уплотнителе (гираторе) при 300 оборотах формы. Алгоритм расчета содержания битума, основанный на корреляции поровых характеристик асфальтобетона с зерновым составом смеси, был предложен в работе. По результатам обработки массива данных, полученных при испытании плотных асфальтобетонов различных типов, установлены следующие корреляционные зависимости для расчета оптимального содержания битума:



Где:

МП - содержание зерен минерального материала мельче 0,071 мм., %;

К - параметр гранулометрии.

Где:

Dкр - минимальный размер зерен крупной фракции, мельче которого содержится 69,1% по массе смеси, мм.;

D0 - размер зерен средней фракции, мельче которого содержится 38,1% по массе смеси, мм.;

Dмелк- максимальный размер зерен мелкой фракции, мельче которого содержится 19,1% по массе смеси, мм.

Содержание битума, % по массе, устанавливают по формуле:

Расчетное содержание битума по предлагаемому методу в смесях типа А и Б хорошо согласуется с экспериментальным содержанием вяжущего, соответствующим требуемым показателям остаточной пористости и прочности при сжатии стандартных образцов.

Однако в любом случае расчетные дозировки битума следует корректировать при приготовлении контрольных замесов в зависимости от результатов испытаний сформованных образцов асфальтобетона.

При подборе составов асфальтобетонных смесей остается актуальным следующее высказывание проф. Н.Н. Иванова: «Битума следует брать не больше, чем это обусловливается получением достаточно прочной и устойчивой смеси, но битума надо брать возможно больше, а ни в коем случае не возможно меньше». Экспериментальные методы подбора асфальтобетонных смесей обычно предполагают приготовление стандартных образцов заданными способами уплотнения и испытание их в лабораторных условиях. Для каждого метода разработаны соответствующие критерии, устанавливающие в той или иной степени связь между результатами лабораторных испытаний уплотненных образцов и эксплуатационными характеристиками асфальтобетона в условиях эксплуатации.

В большинстве случаев зги критерии определены и стандартизованы национальными стандартами на асфальтобетон.

Распространены следующие схемы механических испытаний образцов асфальтобетона, представленные на рис. 4.

Рис. 4. - Схемы испытания цилиндрических образцов при проектировании состава асфальтобетона:

Где:

а - по Дюрьезу;

б - по Маршаллу;

в - по Хвиму;

г - по Хаббарду-Филду.

Анализ различных экспериментальных методов проектирования составов асфальтобетона указывает на схожесть в подходах при назначении рецептуры и на различие как в методах испытания образцов, так и в критериях оцениваемых свойств.

Схожесть методов проектирования асфальтобетонной смеси основывается на подборе такого объемного соотношения компонентов, при котором обеспечиваются заданные величины остаточной пористости и нормируемые показатели механических свойств асфальтобетона.

В России при проектировании асфальтобетона проводят испытание стандартных цилиндрических образцов на одноосное сжатие (по схеме Дюрьеза), которые формуют в лаборатории по ГОСТ 12801-98 в зависимости от содержания щебня в смеси либо статической нагрузкой 40 МПа, либо способом вибрирования с последующим дополнительным уплотнением нагрузкой 20 МПа. В зарубежной практике наибольшее распространение получил метод проектирования асфальтобетонных смесей по Маршаллу.

В США до последнего времени применяются методы проектирования асфальтобетонных смесей по Маршаллу, Хаббарду-Фильду и Хвиму. но в последнее время в ряде штатов внедряется система проектирования «Superpave».

При разработке новых методов проектирования асфальтобетонных смесей за рубежом большое внимание уделялось совершенствованию методов уплотнения образцов. В настоящее время при проектировании смесей по Маршаллу предусмотрено три уровня уплотнения образца: 35, 50 и 75 ударов с каждой стороны соответственно для условий легкого, среднего и интенсивного движения транспортных средств. Инженерные войска Соединенных Штатов, проведя обширные исследования, усовершенствовали испытания по методу Маршалла и распространили его на проектирование составов смесей для аэродромных покрытий.

Проектирование асфальтобетонной смеси по методу Маршалла предполагает, что:

- предварительно установлено соответствие исходных минеральных материалов и битума требованиям технических условий;

- подобран гранулометрический состав смеси минеральных материалов, удовлетворяющий проектным требованиям;

- определены значения истинной плотности вязкого битума и минеральных материалов соответствующими методами испытаний;

- достаточное количество каменного материала высушено и разделено на фракции, чтобы приготавливать лабораторные замесы смесей с различным содержанием вяжущего.

Для испытаний по методу Маршалла изготавливают стандартные цилиндрические образцы высотой 6,35 см. и диаметром 10,2 см. при уплотнении ударами падающего груза. Смеси готовят с различным содержанием битума, обычно отличающимся одно от другого на 0,5%. Рекомендуется приготавливать, по крайней мере, две смеси с содержанием битума выше «оптимального» значения и две смеси с содержанием битума ниже «оптимального» значения.

Чтобы точнее назначить содержание битума для проведения лабораторных испытаний, рекомендуется вначале установить примерное «оптимальное» содержание битума.

Под «оптимальным» подразумевается содержание битума в смеси, обеспечивающее максимальную устойчивость по Маршаллу сформованных образцов. Ориентировочно для подбора необходимо иметь 22 юг каменных материалов и около 4 л. битума.

Результаты испытаний асфальтобетона по методу Маршалла приведены на рис. 5.

На основании результатов испытаний образцов асфальтобетона по методу Маршалла обычно приходят к следующим выводам:

- Значение устойчивости возрастает при увеличении содержания вяжущего до определенного максимума, после которого значение устойчивости снижается;

- Величина условной пластичности асфальтобетона возрастает при увеличении содержания вяжущего;

- Кривая зависимости плотности от содержания битума подобна кривой устойчивости, однако для нее максимум чаще наблюдается при несколько более высоком содержании битума;

- Остаточная пористость асфальтобетона снижается при увеличении содержания битума, приближаясь асимптотически к минимальному значению;

- Процент заполнения пор битумом увеличивается с увеличением содержания битума.

Рис. 5. - Результаты (а, б, в, г) испытаний асфальтобетона по методу Маршалла:

Оптимальное содержание битума рекомендуется определять как среднее из четырех значений, установленных по графикам для соответствующих проектных требований. Асфальтобетонная смесь с оптимальным содержанием битума должна удовлетворять всем требованиям, предъявляемым в технических спецификациях. При окончательном выборе состава асфальтобетонной смеси могут учитываться также технико-экономические показатели. Обычно рекомендуют выбирать смесь, обладающую наиболее высокой устойчивостью по Маршаллу.

Однако при этом следует иметь в виду, что смеси с чрезмерно высокими значениями устойчивости по Маршаллу и низкой пластичностью бывают нежелательными, так как покрытия из таких смесей будут чрезмерно жесткими и могут растрескаться при движении большегрузных транспортных средств, особенно при непрочных основаниях и высоких прогибах покрытия. Часто в Западной Европе и в США метод проектирования асфальтобетонной смеси по Маршаллу подвергается критике. Отмечается, что ударное уплотнение образцов по Маршаллу не моделирует уплотнение смеси в покрытии, а устойчивость по Маршаллу не позволяет удовлетворительно оценить прочность асфальтобетона при сдвиге.

Также критикуется и метод Хвима, к недостаткам которого относят довольно громоздкое и дорогостоящее испытательное оборудование.

Кроме того, некоторые важные объем метрические показатели асфальтобетона, связанные с его долговечностью, в этом методе должным образом не раскрываются. По мнению американских инженеров, метод выбора содержания битума по Хвиму является субъективным и может привести к недолговечности асфальтобетона из-за назначения низкого содержания вяжущего в смеси.

Метод LCPC (Франция) основан на том, что горячая асфальтобетонная смесь должна быть спроектирована и уплотнена в процессе строительства до максимальной плотности.

Поэтому проводились специальные исследования расчетной работы уплотнения, которая была определена как 16 проходов катка с пневматическими шинами, с нагрузкой на ось 3 тс при давлении в шине 6 бар. На полномасштабном лабораторном стенде при уплотнении горячей асфальтобетонной смеси была обоснована стандартная толщина слоя, равная 5 максимальным размерам минеральных зерен. Для соответствующего уплотнения лабораторных образцов были стандартизованы угол вращения на лабораторном уплотнителе (гираторе), равный 1°, и вертикальное давление на уплотняемую смесь 600 кПа. При этом стандартное число вращений гиратора должно составлять величину, равную толщине слоя из уплотняемой смеси, выраженную в миллиметрах.

В американском методе системы проектирования «Superpave» принято уплотнять образцы из асфальт бетонной смеси также в гираторе, но при угле вращения 1,25°. Работа по уплотнению образцов асфальтобетона нормируется в зависимости от расчетной величины суммарной транспортной нагрузки на покрытие, для устройства которого проектируется смесь. Схема уплотнения образцов из асфальтобетонной смеси в приборе вращательного уплотнения представлена на рис. 6.

Рис. 6. - Схема уплотнения образцов из асфальтобетонной смеси в приборе вращательного уплотнения:

В методе проектирования асфальтобетонной смеси MTQ (Министерство транспорта Квебека, Канада) заимствован вращательный уплотнитель Superpave вместо гиратора LCPC. Расчетное число вращений при уплотнении принято для смесей с максимальным размером зерен 10 мм. равным 80, а для смесей крупностью 14 мм. - 100 оборотов вращения. Расчетное содержание воздушных нор в образце должно находиться в пределах от 4 до 7%. Номинальный объем пор обычно составляет 5%. Эффективный объем битума установлен для смесей каждого типа, как и в методе LCPC.

Примечательно, что при проектировании асфальтобетонных смесей из одних и тех же материалов по методу Маршалла, методу LCPC (Франция), методу системы проектирования «Superpave» (США) и методу MTQ (Канада) были получены примерно одинаковые результаты.

Несмотря на то, что каждый из четырех методов предусматривал различные условия уплотнения образцов:

- Маршалл - 75 ударов с двух сторон;

- «Superpave» - 100 оборотов вращения в гираторе под углом 1,25°;

- MTQ - 80 оборотов вращения в гираторе под углом 1,25°;

- LCPC - 60 оборотов вращения эффективного уплотнителя под углом 1°С были получены вполне сопоставимые результаты по оптимальному содержанию битума.

Поэтому авторы работы пришли к выводу, что важно не то, чтобы иметь «правильный» метод уплотнения лабораторных образцов, а то, чтобы иметь систему влияния уплотняющего усилия на структуру асфальтобетона в образце и на работоспособность его в покрытии.

Следует отметить, что вращательные методы уплотнения асфальтобетонных образцов также не лишены недостатков. Установлено заметное истирание каменного материала при уплотнении горячей асфальтобетонной смеси в гираторе.

Поэтому в случае использования каменных материалов, характеризующихся износом в барабане Лос-Анжелеса более 30%, нормируемое число оборотов уплотнителя смеси при получении образцов щебеночно-мастичного асфальтобетона назначают равным 75 вместо 100.



3. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ

Под функциональным проектированием подразумевается совокупность методов, обеспечивающих разработку состава асфальтобетонной смеси с требуемыми эксплуатационными показателями свойств. Простейший способ функционального проектирования асфальтобетонной смеси представлен в финских нормах на асфальтобетон и рекомендуется для дорог с интенсивностью движения более 5000 авт./сут.

В соответствии с этим методом проектные составы должны быть испытаны в лаборатории на сдвигоустойчивость, водо-, износо- и трещиностойкость.

Методы испытания и нормы эксплуатационных показателей асфальтобетона регламентируются соответствующей нормативно-технической документацией. Проектный состав асфальтобетона должен удовлетворять действующим нормам по всем принятым эксплуатационным показателям качества.

Многообразие условий эксплуатации асфальтобетонных покрытий предопределяет более детальный и дифференцированный подход к проектированию составов асфальтобетонных смесей.

С целью прогнозирования работоспособности асфальтобетонных покрытий в зависимости от качества применяемого битумного вяжущего, состава смеси и климатических условий эксплуатации специалистами института Асфальта (США) была разработана технология «Superpave» в рамках стратегической программы дорожных исследований SHRP.

Эта технология включает технические условия и новые методы испытаний битумного вяжущего, а также проектирование асфальтобетонной смеси и методы оценки эксплуатационных свойств асфальтобетона.

Стратегия проектирования асфальтобетонных смесей по технологии «Superpave» предполагает:

- испытания и обоснованный выбор битумного вяжущего и минеральных материалов;

- подбор состава смеси по поровым характеристикам асфальтобетона, уплотненного в приборе вращательного уплотнения;

- испытания асфальтобетона на устойчивость к колеи образованию, низкотемпературному и усталостному трещинообразованию, на водостойкость и другие показатели рекомендуется проводить более сложными и точными методами.

Планировался также компьютерный расчет прогнозируемого поведения асфальтобетона в заданных условиях эксплуатации по математическим моделям системы проектирования «Superpave», однако, по имеющимся данным, он еще не внедрен в практику проектирования составов смесей. Технология «Superpave» основана на уюте климатических условий региона и расчетной груза напряженности покрытия.

Основными новшествами системы проектирования «Superpave» являются лабораторные испытания смеси на уплотняемость с применением вращательного уплотнителя SGC и новые методы испытаний образцов, направленные на прогнозирование работоспособности асфальтобетона в покрытии. Более того, выбор марки битумного вяжущего производится на основании показателей температурной чувствительности вязкоупругих свойств (с учетом искусственного старения вяжущего), а также с учетом расчетных максимальных и минимальных температур покрытия, которые обосновываются для конкретного района строительства.

Выбор минеральных материалов для асфальтобетонной смеси основывается на результатах определения физико-механических свойств и возможности составления требуемого зернового состава плотного минерального остова.

Номенклатура нормируемых физико-механических свойств минеральных материалов по основным параметрам согласуется с требованиями российских государственных стандартов.

Состав минеральной части и содержание битума рассчитывают по объему пор для заданной остаточной пористости асфальтобетона 4%. Новым является дифференцированный подход к нормированию работы уплотнения образцов асфальтобетона в зависимости от расчетных величин суммарной транспортной нагрузки и от максимальной средней температуры воздуха в районе строительства.

Заключительный этап проектирования подбора составов смесей по технологии «Superpave» для дорог низших категорий заканчивается проверкой расчетного состава асфальтобетона на водостойкость методом ASTM D 4867M-96. Полный анализ проектируемой асфальтобетонной смеси по всему комплексу эксплуатационных показателей системы проектирования «Superpave» рекомендуется проводить только для покрытий дорог с суммарной эквивалентной нагрузкой, превышающей 10 млн. ES AL.

Эксплуатационные показатели свойств асфальтобетона прогнозируют колеи образование, усталостное трещинообразование и низкотемпературное трещинообразование покрытия.

С этой целью разработаны специальные приборы для испытания образцов на сдвиг (SST), на растяжение при расколе (ЮТ), которые позволяют проводить испытания при различных температурах, напряженно-деформируемых состояниях образцов и режимах их нагружения.

Хотя система проектирования «Superpave» и предлагает определять эксплуатационные свойства асфальтобетона, тем не менее она продолжает уделять внимание эмпирическим ограничениям для объема метрических параметров, предусмотренных в методах Хаббарда-Филда и Маршалла: пористости минерального остова, коэффициенту заполнения пор битумом, отношению содержания минерального порошка и битума в асфальтобетонной смеси.

Модели прогнозирования работоспособности покрытий по комплексу эксплуатационных показателей асфальтобетона пока находятся в стадии отработки и эмпирической проверки.

Тем не менее главной целью испытаний асфальтобетонных образцов в лаборатории является прогнозирование работоспособности асфальтобетонных покрытий.

Алгоритмы, прогнозирующие эксплуатационные показатели покрытия на основе результатов испытаний, включают реологические модели материала, модели климатических воздействий, реакций покрытия и процессов разрушения покрытия.

Результаты испытаний, полученные с помощью сдвигового прибора (SST) и прибора на растяжение при расколе (ЮТ), используются в качестве исходных данных о свойствах материала, характеризуя упругие, вязкоупругие, вязко-пластичные и прочностные свойства асфальтобетона.

Внедрение американской технологии проектирования асфальтобетона «Superpave» в других странах затруднено в силу ряда причин, в том числе из-за сложности и дороговизны приборного обеспечения.

В большинстве развитых стран проводятся самостоятельные исследования и совершенствуются свои методы проектирования асфальтобетона. Например, в Австралии по государственной научно-исследовательской программе был разработан собственный метод «Superpave», который использует более доступное лабораторное оборудование. Австралийский метод предлагает сравнительно дешевый гиратор для изготовления цилиндрических образцов. Испытания асфальтобетона на сдвигоустойчивость и на модуль упругости предлагается осуществлять при осевом сжатии образцов-цилиндров повторной нагрузкой в режиме динамической ползучести на приборе с пневматическим приводом нагружения. Этот метод испытания асфальтобетона стандартизован не только в Австралии, но и в других странах под названием uniaxial creep test, однако параллельно с ним проводится испытание на колеи образование под движущимся колесом транспортного средства.

В России также накоплен достаточно большой научный потенциал при изучении структурно-механических свойств асфальтобетона и по расчету дорожных покрытий, который можно и нужно использовать при проектировании составов смесей. Чтобы оптимизировать состав смеси, предлагается на основании результатов лабораторных испытаний определять эксплуатационные свойства проектируемого асфальтобетона, характеризующие как можно более полно работоспособность дорожного покрытия в конкретных условиях эксплуатации.

В большинстве случаев необходимо первоначально оценивать сдвигоустойчивость асфальтобетона путем прогноза остаточной деформации, накапливаемой в покрытии за расчетный срок службы.

Обеспечив надежные показатели сдвигоустойчивости, наряду с другими нормируемыми свойствами, рекомендуется последовательно повышать трещиностойкость асфальтобетона соответствующими способами. Блок-схема проектирования состава асфальтобетонной смеси по показателям эксплуатационных свойств покрытия представлена на рис. 7.

дорожный строительный асфальтобетон

Рис. 7. - Блок-схема проектирования состава асфальтобетона по оптимизируемому параметру трещин стойкости:

Показатель качества асфальтобетона, принимаемый за параметр оптимизации состава смеси, может быть разным в зависимости от типа асфальтобетона, условий эксплуатации и свойств исходных материалов. Так, для литого асфальтобетона параметром оптимизации, скорее всего, будет сдвиг устойчивость. В отдельных случаях при использовании быстро стареющих вяжущих может быть оправдана оптимизация состава асфальтобетона по устойчивости к старению. Однако в любом случае разрабатываемый состав смеси должен обеспечивать заданные проектные требования по всем другим регламентируемым показателям качества.

Заслуживают внимания разработки комплексных показателей качества асфальтобетона, выступающих в качестве параметров оптимизации структуры материала.

Например, методика определения комплексного показателя уровня надежности асфальтобетона, который отражает устойчивость к колеи образованию, температурную трещинная стойкость, усталостную долговечность и морозостойкость, изложена в работе. Определяя комплексный показатель уровня надежности, следует иметь в виду, что частные уровни надежности эксплуатационных показателей асфальтобетона зависят от условий эксплуатации покрытия, поэтому их коэффициенты весомости также должны учитываться при оценке качества материала.



СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Федеральное государственное унитарное предприятие «Информационный центр по автомобильным дорогам», Выпуск 6, Москва, 2005.

2. Баженов Ю.М., «Технология бетона», АСВ, Москва, 2002.

Размещено на Allbest.ru