OffLine версия Рекламодателям О нас
товаров 5243    фирм 649   статей 937

блокнот 0
№33
 
Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США
Главная     Лента     Авторы     Источники     Архив   
Товары в каталоге



асфальт   бетон   битум   песок   щебень  

Словарь


Также по теме:

Особенности устройства и уплотнения земляного полотна
То, что земляное полотно автомобильной дороги является несущей основой или фундаментом всей дорожной одежды, хорошо известно. И нет особой нужды показывать...

Содержание автомобильных дорог
Перечень технологических процессов, входящих в понятие «круглогодичное содержание» проезжей части, земляного полотна и полосы отвода автомобильных дорог,...

Повышение качества щебеночных оснований
Практикуемое нормирование требований к исходным материалам, технологии строительства и контролю качества осуществляется без должного учета и понимания...


МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ В США
Развитие технологии асфальтобетона и методов подбора состава смеси

Интересно и поучительно проследить за основными этапами развития инженерной мысли в области проектирования состава смеси и технологии производства асфальтобетона на примере США.

Первый патент США на песчаную асфальтобетонную смесь.

Рис. 1. Первый патент США на песчаную
асфальтобетонную смесь. Все описание
поместилось на одной странице.

Примерно 140 лет назад бельгийский химик Edward J De Smedt обнаружил, что сопротивление деформированию смеси песка и битума можно повысить путем надлежащего выбора содержания в ней вяжущего. После эмиграции в США, работая в Колумбийском университете, он в 1870 году запатентовал песчаный асфальтобетон с соотношением содержания битума и песка 1:5 (патент США 103.581 – рис. 1). В том же году под его руководством был устроен небольшой участок с таким покрытием в г. Ньюарке (штат Нью-Джерси), а в 1877 году сделано покрытие на центральной улице столицы США г. Вашингтона площадью 45000 м2 (первая половина которого была построена из смеси песка с природным асфальтом, доставленным с острова Тринидад, а вторая – из горного природного асфальта, импортированного из Франции). Песчаный асфальтобетон в виде смеси песка с тринидадским озерным асфальтом оказался лучше. Тринидадский асфальт содержит 50–57 % битума и коллоидную глину вулканического происхождения, характеризуется плотностью 1,42 г/см3, температурой размягчения 93–97 °С и глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) 3–10.

За успехом песчаного асфальтобетона последовало строительство других покрытий. На многих из них, однако, вскоре появились трещины. Было решено, что это вызвано чрезмерной жесткостью тринидадского вяжущего. В 1899 году был разработан метод испытания битума на пенетрацию. Стало ясно, что чрезмерная жесткость битума действительно приводит к быстрому растрескиванию покрытия, и было предложено применять менее вязкие битумы, достигая нужной жесткости материала покрытия добавлением мелкого материала в смесь с битумом меньшей вязкости. С 1883 года главным поставщиком тринидадского природного озерного асфальта стала компания, которую основал A. L. Barber (российским дорожникам известны современные асфальтоукладчики компании Барбер-Грин; F. V. Greene был первым вице-президентом этой компании). Уже к 1898 году эта компания уложила песчаный асфальтобетон более чем в сотне городов на улицах общим протяжением 1500 миль (2400 км). В отсутствие конкурентов цена составляла до 6 долларов за м2 покрытия, а впоследствии при 3–4 конкурировавших фирмах снизилась до 3,5–4,0 долларов за м2.

Подбором смеси и контролем качества в компании Barber Asphalt Paving Company занимался выпускник Гарварда химик К. Ричардсон (C Richardson), придававший особое значение зерновому составу минерального материала, особенно – непрерывности гранулометрической кривой в области частиц мельче 0,5 мм. Он дозировал минеральный порошок в зависимости от зернового состава песка, поставлявшегося из каждого большого карьера, и держал рабочие формулы смесей в секрете. С учетом содержания пылеватых частиц в песке и в озерном асфальте получалось, что рекомендовавшиеся Клиффордом Ричардсоном смеси содержали до 13 % частиц мельче 0,075 мм (фракции минерального порошка).

К. Ричардсон считается в США классиком в области технологии асфальтобетона. Он написал в 1905 г. первую книгу, посвященную этой технологии; ввел понятия пористости минерального остова и пористости асфальтобетона, а также описал предложенный им же метод определения оптимального содержания битума. Для этого образец песчаной асфальтобетонной смеси прижимали к листу плотного картона с гладкой поверхностью. Затем образец удаляли и рассматривали пятно, оставшееся на картоне. Если оно было темным, это означало избыток битума, если светлым, то надо было добавить битум, а пятно средней интенсивности отвечало оптимуму битума. Фактически это был первый метод проектирования состава смеси. Так развивалась в США технология песчаного асфальтобетона (sheet asphalt).

Технология щебеночного асфальтобетона появилась в США благодаря Фредерику Уоррену (F. J. Warren). С 1890 г. он занимался кровельными работами с применением битума, а затем заинтересовался дорожным строительством. Ф. Уоррен быстро пришел к пониманию того, что дорожники не сформулировали технических требований к песку, не имеют правил подбора и испытания смесей и расходуют слишком много дорогого битума на приготовление песчаного асфальтобетона. Он поставил такой замечательный опыт – изготовил образец камня в виде правильного куба с длиной ребра 30 см и взвесил его. Затем разбил его на кубообразные части размером 5 см и заполнил ими деревянный ящик с внутренними размерами 30×30×30 см. В ящик поместилось лишь около половины веса исходного каменного куба, а остальной объем ящика приходился на воздушные поры. Однако, постепенно измельчая камень и заполняя ящик, он убедился, что при определенной пропорции частиц разного размера можно заполнить камнем до 90 % объема ящика. Затем он задумался над связью величины поверхности каменного материала с требуемым содержанием битума в смеси.

Хорошая видимость разметки покрытия

Хорошая видимость разметки покрытия –
одно из важнейших требований его
эксплуатационного состояния.

В 1901 г. Ф. Уоррен отправил заявку на патент на покрытие из асфальтобетонной смеси, содержащей дробленый каменный материал. В патенте (номер 727.505) он указал, что каменный материал должен содержать от 50 до 80 % частиц крупнее 0,63 мм и мельче 75 мм, а «мельчайшего порошка» в нее нужно добавлять от 1 до 3 %. При этом под «мельчайшим порошком» понимались частицы, прошедшие сквозь сито с 200 отверстиями на площади один квадратный дюйм (поэтому его называют ситом номер 200) диаметром 0,075 мм. Сейчас мы его называем минеральным порошком. В описании изобретения Ф. Уоррен подчеркнул, что поры в песке занимают не менее 20 % объема и их большая часть должна быть заполнена битумом, тогда как применение щебня позволяет уменьшить пористость до 10 %. В итоге, за счет рационального подбора зернового состава минерального материала он добился уменьшения пористости минерального остова, а поэтому уменьшил расход дорогостоящего битума примерно в два раза по сравнению с песчаным асфальтобетоном. Благодаря этому компания Warren Brothers снизила цену до 2,8 долларов за м2 покрытия и стала сильным конкурентом.

В те далекие времена юристов в США было относительно немного (зато сейчас их в этой стране больше, чем во всем остальном мире, и не совсем очевидно, почему), но тем не менее асфальтовая компания Barber немедленно начала судебный процесс против Warren Brothers Co. Уменьшение расхода битума грозило снижением доходов компании Barber, которая в то время имела исключительные права на поставку тринидадского асфальта в США. Компания Barber пыталась доказать, что применение крупного камня в смеси ухудшает свойства покрытия по сравнению с песчаным асфальтобетоном. Кроме того, инженеры компании Barber, пользовавшейся большим авторитетом, стали повсюду разъяснять недостатки смесей, в которых применяется крупный щебень: расслоение при перевозке, когда крупные зерна «всплывают», а мелочь накапливается внизу, что приводит к неоднородности смеси; трудность укладки и уплотнения, а поэтому снижается производительность; неровное покрытие и так далее. Действие патента Ф. Уоррена было приостановлено, но судебный процесс фирма Barber проиграла.

Практика же показала, что на покрытии из песчаного асфальтобетона при проезде конных повозок, имевших колеса с узким жестким ободом, колея образуется быстрее, чем на покрытии из щебеночного асфальтобетона. После успешного строительства покрытия в г. Топека (шт. Канзас) в 1909 г. в суд обратилась уже компания Warren Brothers, поскольку впервые был применен асфальтобетон, приготовленный с применением мелкого щебня. Суд постановил, что ограничение максимальной крупности щебня 12,5 мм не нарушает патента Уоррена, в котором было указано верхнее значение 75 мм. Это стимулировало применение мелкозернистых щебеночных асфальтобетонных смесей, которые проявили себя более технологичными, имели более гладкую поверхность, чем крупнозернистые, и работу с ними было легче механизировать.

К 1912 году компания Warren Brothers уложила асфальтобетонные покрытия в 150 городах, выдавая пятилетнюю гарантию их службы до ремонта. Даже при этом за счет уменьшения содержания битума получалась экономия около 3 долларов на м2. Хотя действие патента Уоррена закончилось в 1921 г., мелкозернистые смеси использовались повсеместно.

Когда появились пневматические шины, нужно было установить предельное давление воздуха в них. Его определяли так, чтобы не образовывалась глубокая колея на покрытиях из мелкозернистого щебеночного асфальтобетона типа Topeka mix (то есть той самой смеси, которая была впервые применена в г. Топека, шт. Канзас в 1909 г.). Исходя из этого, предельное давление в шинах приняли равным 400 кПа (4 атмосферы), и таким оно оставалось еще несколько десятилетий. Однако в дальнейшем с повышением осевых нагрузок, давления в шинах и интенсивности движения наметилась тенденция возвращения к крупнозернистым смесям с высоким содержанием щебня, чтобы уменьшить глубину колеи.


Методы, основанные на механических испытаниях

Метод Хаббарда-Филда

Первый метод оценки оптимального содержания битума в смеси, предложенный К. Ричардсоном и описанный выше, был чисто визуальным. До 1920 х годов никаких количественных методов, основанных на механических испытаниях смеси, в США не существовало. Первый такой метод предложили в середине 1920 х годов P. Hubbard и F. Field (метод Хаббарда-Филда).

К этому времени асфальтобетон как материал для дорожных покрытий завоевал лидирующее место. В двенадцати крупнейших городах страны 54 % площади покрытий приходилось на асфальтобетон, 13 % на не укрепленный вяжущим щебень, 15 % – каменную мостовую, 13 % – клинкерную мостовую, 2 % – деревянную мостовую и 3 % – на цементобетон. Необходимо было создать стандарт, который бы предъявлял технические требования к асфальтобетону. П. Хаббард в эти годы, работая секретарем комитета по дорогам и дорожно-строительным материалам Американского общества испытаний и материалов (ASTM), основал асфальтовую лабораторию, превратившуюся впоследствии в известный Асфальтовый институт.

Требовалось, чтобы подобранные смеси были приготовлены в лаборатории и испытаны. Метод Хаббарда-Филда состоял в продавливании уплотненного образца из испытываемой смеси. Цилиндрический образец диаметром 50 мм и высотой 25 мм продавливали через круглое отверстие диаметром 44 мм на дне металлического патрубка. Испытание проводили при температуре 66 °С, соответствующей максимальной температуре поверхности покрытия летом на значительной части территории США. Максимальную нагрузку (в килограммах), которую потребовалось приложить к образцу при испытании со скоростью 60 мм/мин, записывали как показатель «устойчивости» смеси. Подразумевалось, что она характеризует сопротивление асфальтобетона образованию колеи при проезде автомобилей. Требуемый показатель устойчивости нормировался в зависимости от интенсивности движения.

Перекресток улиц Wilshire и Sepulvida в Лос-Анджелесе находится в первой десятке по количеству ДТП в стране.

Перекресток улиц Wilshire и Sepulvida в Лос-Анджелесе находится в первой десятке по количеству ДТП в стране. Число ДТП в прошлом году снизилось после дополнительной разметки и установки телекамер, фиксирующих проезд на поздний желтый – красный сигнал светофора.

Прибор Хаббарда-Филда широко применялся во многих штатах. В 1950 х диаметр образца был увеличен до 150 мм, а высота до 50 мм для испытания смесей с размером зерен до 19 мм, но модифицированная версия прибора использовалась недолго в связи с распространением метода Маршалла в этот период. Любопытно, что в России в 1990 х главный инженер объединения «Дорстройпроект», канд. техн. наук Ю. Е. Никольский предложил использовать аналогичный прибор.

Оценивая метод Хаббарда-Филда с позиций сегодняшнего дня, целесообразно отметить следующее. Испытание косвенно характеризует предельное сопротивление сдвигу материала в момент его разрушения при однократном нагружении. Это предельное сопротивление отражает влияние как удельного сцепления «с», так и угла внутреннего трения «φ», которые входят в закон Ш. Кулона для предельного касательного напряжения τmax = σ · tg φ+c, при достижении которого возникает необратимое пластическое течение идеального упругопластического материала. Предполагается, что если под действием приложенной нагрузки в самой опасной в отношении сдвига точке покрытия появляются нормальное напряжение «σ» и касательное напряжение «τ», которое меньше предельного «τmax», то необратимый сдвиг не произойдет, то есть считается, что в этом случае после проезда автомобиля якобы нет остаточной деформации.

На самом же деле асфальтобетон не является идеальным упругопластическим телом. Даже напряженное состояние, далекое от предельного, вызывает в нем как упругую и вязкую, так и необратимую пластическую деформацию. Необратимое вертикальное перемещение от одного проезда грузового автомобиля имеет порядок 0,0001 мм при том, что полное перемещение (прогиб) имеет порядок 0,1 мм. Поэтому, измеряя полный прогиб, трудно одновременно измерить 1/1000 часть его. Кроме того, часть остаточного перемещения обусловлена необратимыми деформациями грунта и щебеночного основания, особенно при тонком покрытии. Эта его часть практически не связана с прочностью асфальтобетона на сдвиг.

Накопление столь малых перемещений после многократных проездов (порядка 100000 и больше), неравномерно распределенных по ширине покрытия, и приводит к образованию колеи глубиной 10–50 мм. При этих повторных деформациях асфальтобетон может сохранять сплошность и его структура (взаимное расположение частиц и связь между ними) далека от предельной. На микроструктурном уровне малые остаточные деформации могут, например, объясняться выжиманием части битума из зоны контакта зерен. При этом зерна сближаются, но не сдвигаются относительно друг друга. В отличие от этого, во время испытания на прочность при однократном срезе структура материала разрушается полностью и необратимо.

Испытание же по Хаббарду-Филду предполагает, что чем прочнее материал на сдвиг, тем лучше он сопротивляется накоплению деформаций при повторяющихся малых нагрузках, что, к сожалению, не подтверждается. Это замечание не должно быть прочитано просто как ретроспективный взгляд на историю технологии асфальтобетона. Оно актуально и сегодня. Так, в стандарте России на асфальтобетон (ГОСТ 9128–97, Изменение № 2, введенное с 1.09.2002) нормированы упомянутые параметры предельного сопротивления сдвигу «φ», «с» при 50 °С.

Они нормированы впервые (по предложению канд. техн. наук Г. Н. Кирюхина), что можно считать шагом вперед по сравнению с предыдущими российскими стандартами. При этом подразумевается, что чем выше «φ» и «с», тем лучше сопротивляется асфальтобетон образованию колеи. Возможно, что в некоторых случаях это действительно так. Однако может оказаться, например, что введение в битум полимера практически не изменяет значений «φ» и «с», то есть что сопротивление сдвигу якобы не увеличивается, хотя стоимость смеси возрастает. На самом деле введение полимера существенно уменьшает колею, но не за счет роста предельного сопротивления материала разрушенной структуры, а за счет уменьшения доли остаточных деформаций при повторяющихся малых напряжениях – добавка полимера повышает эластичность битума, а значит, и асфальтобетона.

Метод Хвима

Так сложилось, что в дорожном департаменте штата Калифорния было разработано довольно много методов испытаний материалов и грунтов, получивших признание в других штатах и у строителей других государств. Например, в 1930 х инженер из Лос-Анджелеса Р. Проктор (R. R. Proctor) разработал метод и прибор для оценки степени уплотнения грунта, принятый и сейчас в разных странах, в том числе в России. В этом же городе был предложен метод испытания щебня на истираемость (всем известный лос-анджелесский барабан). В этом же штате был разработан используемый до сих пор во многих странах показатель несущей способности грунтов CBR (California Bearing Ratio).

Основные положения метода Ф. Хвима (Francis Hveem) были также разработаны инженером дорожного департамента штата Калифорния в конце 1920 х – конце 1930 х годов и до сих пор применяются в этом и в некоторых других штатах. Кроме того, отдельные элементы этого метода оказали влияние на последующие методы и приборы для проектирования состава асфальтобетонной смеси, используемые в разных странах, включая Россию.

Основная концепция метода состояла в следующем:

  • Смесь должна содержать достаточно много битума с учетом адсорбции его части открытыми порами на поверхности минеральных зерен, чтобы все минеральные зерна были им покрыты.
  • Битума должно быть достаточно для обеспечения долговечности покрытия при окислительном старении и увлажнении.
  • Плотный зерновой состав без чрезмерного содержания мелких частиц должен обеспечивать высокое внутреннее трение и размещение достаточно большого объема битума, при этом объем воздушных пор должен быть не менее 3 % (обычно 3–5 %).
  • Асфальтобетон должен быть устойчивым к воздействию транспортных нагрузок при высокой температуре.

Одним предложением всю «философию» метода Ф. Хвима можно выразить следующим образом: смесь должна содержать как можно больше битума, чтобы была обеспечена ее долговечность, но не чрезмерно много, чтобы сохранялась ее устойчивость к образованию колеи.

Метод состоит из нескольких последовательных этапов. На первом этапе для заданного зернового состава каменного материала определяется приближенное содержание битума. При этом руководствуются расчетом удельной поверхности каменного материала и экспериментально найденным центрифуговым керосиновым эквивалентом (Centrifuge Kerosene Equivalent test – сокращенно CKE).

Хорошую видимость в продольном профиле не всегда удается обеспечить в большом городе

Хорошую видимость в продольном профиле не всегда удается обеспечить в большом городе даже для относительно недавней застройки.

Ф. Хвим полагал, что битума должно быть достаточно, чтобы покрыть поверхность всех минеральных зерен пленкой определенной толщины, необходимой (с современной точки зрения) для обеспечения стабильности его свойств при старении, а также чтобы битум мог служить в качестве «смазки» при уплотнении смеси с целью уменьшения трения между частицами. Тогда необходимый объем битума может быть найден как произведение площади поверхности минеральных зерен на толщину пленки.

Для этого нужно знать удельную поверхность различных фракций каменного материала. Удельная поверхность – это отношение площади поверхности частиц к их объему либо к их весу. Хвим использовал отношение к весу для плотности камня 2,65 г/см3. Удельную поверхность минерального материала рассчитывают как сумму произведений «проходов» через стандартные сита на соответствующие этим ситам коэффициенты удельной поверхности, предложенные Ф. Хвимом и приведенные в действующем по сей день «Руководстве» Асфальтового института [2].

Ф. Хвим использовал для этих коэффициентов данные, полученные экспериментально канадским инженером Л. Эдвардсом (L. N. Edwards) применительно к цементобетонной смеси. Очевидно, что, скажем, материал, прошедший сквозь сито 2,36 мм и задержанный на сите 1,18 мм, то есть так называемый остаток на сите 1,18 мм, включает частицы всех размеров от 1,18 до 2,36 мм. Капитан Л. Эдвардс проделал титаническую работу: он вручную определил размеры каждого зерна в каждой фракции, вычислил его поверхность и объем и таким путем нашел удельную поверхность зерен каждой фракции, опубликовав результаты в виде статьи в 1918 г. Данными Эдвардса воспользовался Хвим, однако он не располагал сведениями о поверхности очень мелких фракций, размеры частиц которых Эдвардс измерить не мог. Это создало серьезные трудности, поскольку именно мелкие фракции имеют большую удельную поверхность. К тому же принципиально невозможно учесть сколь угодно малые частицы, поскольку с приближением их размера к нулю поверхность частиц любого данного объема становится бесконечной. Каким-то размером надо было ограничиться.

Ф. Хвим при расчете поверхности считал зерна гладкими и шарообразными. Чтобы учесть их шероховатость, неправильность формы и способность к адсорбции части вяжущего, он разработал эксперимент по определению СКЕ. Минеральный материал, прошедший сито с отверстиями 4,76 мм, в рыхлом состоянии насыщают керосином, а затем подвергают центрифугированию в течение двух минут при скорости вращения, дающей центробежную силу, превышающую силу тяжести в 400 раз. Масса оставшегося керосина, выраженная в процентах (по массе) сухого минерального материала, и есть показатель керосинового эквивалента СКЕ.

Рассчитав удельную поверхность каменного материала и экспериментально определив керосиновый эквивалент, находят приближенное содержание битума ААС (approximate asphalt content). Аналогичная техника расчета содержания битума была в 1970 х предложена в ХАДИ И. В. Королевым, впоследствии – профессором МАДИ, и названа им методом определения битумоемкости.

Каким же минимальным размером частиц ограничился Хвим? Это не совсем ясно, поскольку последний коэффициент удельной поверхности дан для частиц диаметром меньше 0,075 мм, и он равен 33 м2/кг [2]. В то же время фактически измеренная удельная поверхность таких частиц, например для портландцемента, имеет порядок 100–1000 м2/кг. Имеются и другие неясности. Так, Ф. Хвим первоначально принимал толщину пленки одинаковой для частиц различного диаметра, но впоследствии пришел к выводу, что с уменьшением диаметра зерна толщина пленки уменьшается, однако на значениях коэффициентов удельной поверхности это не отразилось. С другой стороны, можно ли считать пленкой битумную оболочку, толщина которой во много раз больше диаметра зерна? Такое зерно естественнее рассматривать как погруженное в битум.

К сожалению, Ф. Хвим почти не публиковал статей по результатам своих исследований. Вследствие этого к настоящему времени сложилась парадоксальная ситуация: коэффициенты удельной поверхности даны в нормативных документах и в справочниках (например, [2]), но специалисты не имеют детальных сведений о том, как они получены и в каких пределах применимы. Лишь в 2004 году часть таких сведений стала доступной после того, как Калифорнийский департамент транспорта выложил в Интернете отсканированные научно-технические отчеты 1930–50-х годов.

Рис. 2. Иллюстрация определения понятия о толщине пленки по Ф. Хвиму.

Рис. 2. Иллюстрация определения понятия
о толщине пленки по Ф. Хвиму.
Асфальтобетонная смесь рассматривается
как совокупность частиц с битумными
оболочками постоянной толщины TF
без учета влияния уплотнения.

Как ясно из изложенного, Ф. Хвим и его последователи, включая проф. И. В. Королева, фактически рассматривали асфальтобетонную смесь как совокупность частиц с битумными оболочками, не соприкасающимися между собой, как если бы они висели в воздухе (рис. 2) – информация о степени уплотнения, об остаточной воздушной пористости или о пористости минерального остова не была задействована для расчета толщины пленки. В действительности же окруженные битумными оболочками зерна даже в рыхлой смеси оказывают взаимное влияние на расположение друг друга, а в уплотненной могут вступать в непосредственный контакт, как показано на рис. 3.

По Хвиму, толщина пленки равна объему битума, деленному на площадь поверхности частиц. На самом же деле она зависит от степени уплотнения смеси, поскольку по мере уплотнения зерна сближаются друг с другом, а часть битума выжимается из зоны контакта зерен. В результате, как показано в работе [3], толщина пленки возрастает быстрее содержания битума. Пленкой можно назвать расстояние от поверхности зерна до воздушной поры. Например, если считать целесообразным для повышения долговечности (в частности, устойчивости к старению битума) увеличить толщину пленки вдвое – скажем, от 5,5 до 11 микрон, то для этого достаточно повысить содержание битума всего примерно на 20 %, а не вдвое, как следовало бы из традиционного метода расчета толщины пленки. Итак, первый этап метода Ф. Хвима заканчивается определением приближенного содержания битума в смеси.

Иллюстрация определения понятия о толщине пленки t в работе

Рис. 3. Иллюстрация определения понятия
о толщине пленки t в работе [3].
Частицы минерального материала,
имеющие диаметр меньше толщины пленки,
считаются частью вяжущего вещества.
Чем выше степень уплотнения, тем толще пленка.

На втором этапе содержание битума уточняют путем испытания образцов смеси, содержащих разное количество битума, на устойчивость при высокой температуре. Например, приближенное содержание битума найдено равным 5,5 %. Тогда формуют цилиндрические образцы с содержанием битума 5,0, 5,5, 6,0 и 6,5 %, то есть один с количеством битума меньше приближенного, один с найденным приближенным содержанием битума и два – с более высоким его содержанием. Если предполагается, что смесь будет очень чувствительной к изменению содержания вяжущего, то принимают приращение не 0,5, а 0,3 %. Напротив, для каменного материала с очень высокой адсорбционной способностью принимают приращение в 1 %.

Цилиндрические образцы асфальтобетонной смеси уплотняют (штыкуют) на механическом компакторе, а затем доуплотняют статическим нагружением. При этом следят за тем, чтобы поверхность образца по крайней мере при одном содержании битума была блестящей, что свидетельствует об избытке вяжущего. Если нужно, с этой целью готовят дополнительный образец с более высоким количеством битума. Напомним, что краеугольный камень метода Ф. Хвима: как можно больше битума, чтобы обеспечить долговечность, но не слишком много, чтобы избежать колеи. Этот подход разительно отличается от советского стремления к непременной экономии битума.

Ф. Хвим понимал, что достаточное содержание битума в смеси отнюдь не гарантирует устойчивости покрытия к возникновению колеи, поэтому требуется испытать ее на способность сопротивляться сдвигу. Это привело его к изобретению прибора, который он назвал стабилометром. Первый такой прибор он сконструировал в начале 1930 года.

Цилиндрический образец уплотненной смеси либо каменного материала без битума помещали в разъемный полый металлический цилиндр. К торцу образца прикладывали вертикальную нагрузку, измеряя горизонтальное усилие, которое требовалось приложить к образцу, чтобы сдержать его боковое деформирование. В окончательном варианте прибора образец уплотненной асфальтобетонной смеси в тонкой резиновой оболочке устанавливали между верхним и нижним поршнями и помещали в герметически закрытую камеру, которую затем заполняли жидкостью. Прибор был снабжен манометром для измерения давления жидкости в камере. Прикладывая к торцам образца вертикальное продольное давление «σz», измеряли манометром горизонтальное давление «σx». На аналогичном приборе Ф. Хвим испытывал грунты и несвязные дорожно-строительные материалы. В связи с этим интересно отметить, что практически в то же время – в 1930 х годах грунтовые стабилометры были созданы в Научно-исследовательском институте гидротехники в Ленинграде.

Говоря современными терминами, величину R = (1-σx / σz) Ф. Хвим назвал R-value (resistance value), то есть «показателем сопротивления». Очевидно, что величина R связана с известным в механике грунтов коэффициентом бокового давления ξ = μ / (1-μ), где μ – известный из курсов сопротивления материалов и теории упругости коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

Идея Ф. Хвима заключалась в следующем. Чем лучше смесь сопротивляется действию нагрузки, тем выше значение R. В частности, для идеальной жидкости справедлив закон Паскаля – горизонтальное давление равно вертикальному, то есть показатель R = 0. Если бы испытываемый образец был подобен абсолютно твердому блоку, то, по мнению Ф. Хвима, он бы воспринимал вертикальную нагрузку без бокового распора, чему соответствует R = 1. Реальные материалы характеризуются промежуточными значениями R. Здесь следует напомнить, что такой пористый материал, как пенопласт, испытывает продольную деформацию при почти полном отсутствии поперечной за счет его внутренней пористости. Коэффициент Пуассона у пенопласта будет близким к нулю, то есть R получится близким к единице, хотя он далек от абсолютно твердого тела. Другими словами, как теперь ясно, рассуждения Хвима не следует считать безупречными.

Бортовой камень

Бортовой камень, объединенный с боковой
канавой, выполняется только в монолитном
цементобетоне. В красный цвет окрашен
бортовой камень там, где остановка запрещается.

Испытывают цилиндрические образцы диаметром 102 мм и высотой 64 мм при температуре 60 °С и скорости вертикальной деформации 0,02 мм/мин. Полученное значение R выражают в процентах и сравнивают с требуемым значением, зависящим от интенсивности движения и состава транспортного потока. Обычно требуется обеспечить не менее R = 35–55 (проценты). Для сравнения, высококачественный щебень для основания дорожной одежды характеризуется R = 70–75, щебеночный материал для дополнительного основания имеет R = 40–60, а грунт земляного полотна может иметь R = 10–30. При увеличении содержания битума в смеси величина R убывает, но иногда эта зависимость может иметь максимум. Можно испытывать как формованные образцы, так и керны, отобранные из покрытия. При этом вводится поправка, учитывающая отличие высоты цилиндрического образца от 64 мм.

Оптимальное содержание битума выбирают так, чтобы оно было наибольшим, при котором пористость асфальтобетона превышает 3 %, удовлетворяются требования к R и уплотненный образец не имеет блеска, свидетельствующего об избытке вяжущего. Если одно из этих требований не удовлетворяется, изменяют зерновой состав минерального материала и проводят все испытания заново.

Выше упоминалось, что на стабилометре показатель R определяют не только для асфальтобетона, но и для других дорожно-строительных материалов (кроме цементобетона) и для грунтов. Причина состоит в том, что на этом показателе основан принятый по настоящее время в Калифорнии метод расчета нежесткой дорожной одежды на прочность. Зная R для грунта, находят эквивалентную толщину дорожной одежды, требуемую при заданной расчетной интенсивности движения. Выбрав материал дополнительного основания и определив величину R для этого материала, находят эквивалентную толщину слоев, расположенных поверх него. Так поступают со всеми последующими слоями.

Образец с оптимальным содержанием битума подвергали еще двум контрольным испытаниям: на набухание в воде и на когезию (связность материала). Когезиометром Хвима в 1930–40 х годах определяли прочность асфальтобетонной смеси на растяжение, чтобы убедиться в устойчивости материала покрытия к шелушению и выкрашиванию. Для этого цилиндрический образец того же размера, что и при испытании на стабилометре, и при той же температуре 60 °С укладывали горизонтально и посредством рычага прикладывали нагрузку, возраставшую с постоянной скоростью (насыпали свинцовую или стальную дробь в сосуд, подвешенный к рычагу). Вертикальную нагрузку, приводившую к разрушению образца, пересчитывали в сопротивление растяжению. Оказалось, однако, что практически все образцы смесей, прошедшие предыдущие испытания, имели требуемый показатель когезии. Поэтому в 1950 х годах от использования когезиометра отказались, но изобретение этого метода испытания не прошло бесследно – его модификация привела к современному методу испытания асфальтобетона на растяжение при расколе путем сжатия цилиндра по диаметрально противоположным образующим.

В окончательном виде метод Ф. Хвима был подготовлен в 1959 г. и стандартизирован Американской ассоциацией испытаний и материалов ASTM (D 1560, D 1561). В нескольких штатах он был слегка видоизменен. По настоящее время Caltrans (Калифорнийский департамент транспорта) успешно использует метод Хвима для проектирования состава асфальтобетонных смесей и в ближайшие годы не планирует переходить на новый метод Суперпейв, настойчиво внедряемый Федеральной дорожной администрацией в других штатах.

Метод Хвима привнес в науку об асфальтобетоне много новых идей. Его способ уплотнения смесей достаточно хорошо воспроизводит процесс уплотнения в натуре, а показатель устойчивости имеет довольно основательное физическое обоснование. Недостатком является высокая стоимость и громоздкость применяемого оборудования, которое можно использовать только в условиях стационарной лаборатории.

Метод Маршалла

Пожалуй, самым распространенным методом проектирования состава асфальтобетонной смеси в мире сейчас, как и в последние 30 лет, является метод, разрабатывавшийся Брюсом Маршаллом (Bruce Marshall) с 1939 г., вначале для дорожного департамента штата Миссисипи.

В 1943 г. известная экспериментальная станция водных путей корпуса военных инженеров приступила к разработке портативных приборов, используемых при проектировании асфальтобетонной смеси применительно к аэродромным покрытиям. Причиной явилось существенное повышение давления воздуха в шинах самолетной тележки во время войны с 0,7 МПа до 1,4 МПа, а в послевоенные годы – до 1,7, а иногда и до 2,5 МПа. Эти давления настолько превышали давление воздуха в автомобильных шинах, что опыт службы асфальтобетонных покрытий и проектирования состава смесей для них, накопленный дорожниками, не мог удовлетворить аэродромщиков.

Военные инженеры считали метод испытаний Хаббарда-Филда полезным, но не исчерпывающим. Они ценили предложенный Хвимом метод оценки требуемого содержания битума, но считали, что стабилометр измеряет, главным образом, внутреннее трение в смеси, а приборы Ф. Хвима пригодны для стационарной лаборатории, но не для полевых условий. Они заинтересовались предложенными Б. Маршаллом методами и приборами для приготовления образцов и их испытания.

Сначала военные инженеры принялись экспериментировать с прибором для уплотнения (подобным применявшемуся Р. Проктором при стандартном уплотнении грунтов), чтобы в лабораторных условиях воспроизвести плотность, достигаемую при строительстве и при последующем действии нагрузок от самолетов. Параллельно с лабораторными исследованиями испытывали опытные участки с асфальтобетонными покрытиями повторными проездами при различных нагрузках на колесо и давлениях в шине. В отличие от метода Ф. Хвима, большое внимание было уделено требуемому зерновому составу смеси. В частности, была выявлена связь высокого содержания природного песка с быстрым образованием колеи. В результате количество природного песка в смесях для аэродромов было ограничено вначале 10 %, а затем увеличено до 15 %. Были разработаны новые методы испытания образцов смеси и критерии выбора ее оптимального варианта.

Метод Маршалла был стандартизирован в ASTM D 1559 и несколько раз модифицировался. В частности, методика механических испытаний образцов смеси была в последний раз изменена в 1996 г. применительно к крупнозернистым асфальтобетонам и переиздана в 2001 г. [4]. Рассмотрим основные этапы проектирования смеси по этому методу.

1.Оценивают приемлемость каменных материалов. Определяют истираемость щебня в лос-анджелесском барабане, шлифуемость, содержание глинистых частиц, содержание пластинчатых и игловатых зерен, водостойкость, процент граней, образовавшихся при дроблении. Если материалы признаны приемлемыми, определяют зерновой состав, истинную плотность и адсорбцию битума, выраженную в процентах от массы каменного материала. Составляют смесь минеральных материалов, руководствуясь кривой плотных смесей и контрольными точками, задающими допустимый процент материала, прошедшего сита с отверстиями диаметром 2,36 и 0,075 мм. Готовят подобранный образец каменного материала для последующего смешения с битумом.

2. Оценивают свойства вяжущего. Выбирают марку битума в зависимости от географической зоны района строительства и назначения покрытия (стоянка, перегон, взлетно-посадочная полоса, рулежная дорожка и т.п.); определяют плотность битума, измеряют его вязкость при разных температурах, строят график вязкость-температура (он близок к линейному в координатах lg lg η-lg T, поэтому удается ограничиться измерениями при двух температурах и третьей – контрольной); устанавливают температуру смешения как температуру, при которой вязкость битума составляет 170 ±20 сантистоксов (0,17±0,02 Па·сек), и температуру уплотнения смеси как температуру, при которой вязкость битума составляет 280±30 сантистоксов (0,28±0,03 Па·сек). Пример приведен на рис. 6.


Определение температур смешения и уплотнения образцов в зависимости от вязкости битума

Рис.6. Определение температур смешения и уплотнения образцов в зависимости от вязкости битума

Пример к рис. 6.
С помощью капиллярного вискозиметра определены следующие значения кинематической вязкости (в сантистоксах – сокращенно стс) при температурах 60, 135 и 159 °С: 2,8×105 стс, 498 стс и 219 стс. Значениям, полученным при 60 и 135 °С, соответствует уравнение прямой lg lg η = A–VTS lg T, где η – кинематическая вязкость битума, стс, T – температура, °С, А = 2,28 – параметр, VTS = 0,868 – коэффициент чувствительности вязкости к изменению температуры (viscosity – temperature susceptibility). Точка, соответствующая контрольному измерению вязкости при 159 °С, практически лежит на этой же прямой. Красным цветом показан диапазон рекомендуемой вязкости битума при перемешивании, а зеленым – при уплотнении. Пользуясь данным уравнением или его графиком, находят для приготовления образцов смеси температуру перемешивания 163–173 °С, при которой вязкость η = 150–190 стс, и температуру уплотнения 148–155 °С, при которой η = 250–310 стс.

3. Подготавливают образцы для испытаний. Стандартные размеры образца: диаметр – 102 мм, высота – 64 мм. Считается, что диаметр образца должен превышать максимальный диаметр зерен минимум в 4 раза. В связи с этим такие образцы изготавливают для смесей с зернами не крупнее 25 мм. Для крупнозернистых смесей с максимальным размером зерен 37,5 мм принят диаметр 152 мм и высота 114 мм, а соответствующие процедуры их приготовления и испытания нормированы в 2001 г. [4].

Приготавливают 15–18 уплотненных образцов, при пяти – шести различных содержаниях в них битума, изменяющихся с шагом 0,5 %. Среднее значение принимают на основе опыта или базирующихся на нем рекомендаций. Кроме того, готовят 3 образца смеси в рыхлом состоянии, которые затем используют для определения плотности двухфазной системы – каменный материал + битум (асфальтобетон без воздушных пор). Этот показатель в России называют истинной плотностью асфальтобетона, а в США – теоретически максимальной плотностью асфальтобетона, а чаще – плотностью по Дж. Райсу (Rice specific gravity), предложившему в 1953 г. методику его определения.

Прибор Маршалла

Рис. 4. Прибор Маршалла

Большое внимание уделяется приготовлению смеси при соответствующей температуре, ее выдерживанию, чтобы дать время для адсорбции части битума каменным материалом, и доведению смеси до температуры уплотнения без повторного ее разогрева. Образец уплотняют на механическом компакторе ударами стального цилиндрического груза с плоской подошвой диаметром 98 мм и массой 4,54 кг, свободно падающего с высоты 457 мм. В зависимости от положения слоя и категории движения, число ударов принимается 35, 50 или 75. Указанные значения параметров относятся к образцам диаметром 102 мм.

4. Определяют объемные показатели асфальтобетона. На рыхлых образцах определяют истинную плотность асфальтобетона, а на уплотненных – среднюю плотность. Вычисляют для каждого образца воздушную пористость (VTM – voids in total mix), пористость минерального остова (VMA – voids in mineral aggregates) и процент объема межзерновых пор, заполненным битумом (VFA – voids filled with asphalt).

5. Испытывают образцы на приборе Маршалла. Образец, имеющий температуру 60 °С, помещают между зажимами, имеющими радиус кривизны, равный радиусу основания цилиндрического образца (рис. 4), и нагружают со скоростью деформирования 50 мм/мин до момента, когда нагрузка, достигнув максимума, начнет убывать. Максимальное значение нагрузки называют устойчивостью по Маршаллу. Одновременно измеряют вертикальное перемещение верхнего зажима относительно нижнего до момента, когда нагрузка достигает максимума. Его называют текучестью по Маршаллу, или показателем пластичности, и выражают в сотых долях дюйма. Например, типичные требования к смесям указаны в таблице 1.

Таблица 1
Показатель Суммарное число проездов расчетных осей за срок службы покрытия
менее 10 тыс. 10 тыс. – 1 млн свыше 1 млн
Число ударов при уплотнении 35 50 75
Устойчивость по Маршаллу, Ньютоны (фунты) 3336 (750) 5338 (1200) 8006 (1800)
Текучесть по Маршаллу, 0,25 мм (0.01 дюйма) От 8 до 18 От 8 до 16 От 8 до 14
Воздушная пористость асфальтобетона, % 3–5 3–5 3–5
Пористость минерального остова, % Минимальное значение 17, 15, 14, 13, 12 и 11 для смесей с зернами мельче 4,75, 9,5, 12,5, 19, 25 и 37,5 мм




Если высота образца отличается от стандартной, полученные значения показателей корректируют. В некоторых штатах используют в качестве дополнительного показатель жесткости, равный отношению устойчивости к текучести, полагая, что чем выше жесткость при летней температуре, тем выше сопротивление образованию колеи. Испытание на устойчивость и текучесть должно занимать не более 60 сек от момента извлечения образца из водяной бани, где он хранился при 60 °С, до достижения максимальной нагрузки, чтобы его температура не снизилась.

6. Анализируют результаты испытаний. Строят 6 графиков, показанных на рис. 5, и проверяют правильность полученных данных, руководствуясь такими соображениями:


А) Средняя плотность асфальтобетона; Г) Пористость асфальтобетона;
Б) Показатель устойчивости при 60°С; Д) Доля межзерновых пор, заполненных битумом;
В) Показатель пластичости при 60°С; Е) Пористость минерального остова асфальтобетона;
Рис. 5. Пример данных, полученных при изготовлении и испытании асфальтобетонных образцов по методу Маршалла.




  • плотность смеси обычно имеет максимум при некотором содержании битума (рис. 5А), причем соответствующее этому количество битума, как правило (но не всегда), больше, чем то его содержание, при котором максимальна устойчивость по Маршаллу (рис. 5Б);
  • устойчивость по Маршаллу (рис. 5Б) имеет максимум при некотором содержании битума, но иногда эта кривая получается пологой, то есть имеет слабый максимум;
  • текучесть по Маршаллу возрастает с увеличением содержания битума в смеси (рис. 5В); доля межзерновых пор, заполненных битумом, всегда увеличивается с увеличением содержания битума в смеси (рис. 5Г);
  • пористость минерального остова должна иметь минимум при некотором содержании битума (рис. 5Е), аналогичном оптимальной влажности грунта, но иногда этот минимум выражен слабо.

Напомним, что каждая точка на этих графиках получена как среднее значение для трех образцов.

7. Находят оптимальное содержание битума. Прежде всего рассматривают данные об устойчивости и текучести. В данном случае, для тяжелого движения требуется обеспечить устойчивость не менее 8006 Н и текучесть от 8 до 14. Эти требования удовлетворяются при содержании битума в пределах от 5 до 7 % (рис. 5Б и 5В), причем по устойчивости – с большим запасом. Таким образом, первоначальный диапазон поиска оптимума содержания битума сузился с 5–7,5 % до 5–7 %. Далее, стандартными требованиями обычно являются заполнение межзерновых пор на 70–80 % и воздушная пористость 3–5 %. Указанному проценту заполнения пор в данном примере отвечает количество битума в пределах 6,2–7 % (рис. 5Д). Таким образом, диапазон поиска оптимума содержания битума сузился с 5–7 % до 6,2–7 %. Учитывая, что среднему значению нормативного диапазона воздушной пористости, равному 4 %, соответствует 6,9 % битума (рис. 5Г), можно считать оптимальным содержанием битума именно 6,9 %.

Возможны и другие подходы. Например, максимум средней плотности асфальтобетона получается при 6,6 % битума (рис. 5А), максимум устойчивости смеси – при 6,8 % (рис. 5Б), а воздушная пористость 4 % получается при 6,9 % битума (рис. 5Г). Вычислив среднее из трех значений, находим 6,8 %. Поскольку остальные требования для этого количества битума выполняются, то при таком подходе можно считать оптимальным содержанием битума 6,8 %.

К преимуществам метода Маршалла следует отнести портативность применяемого оборудования и внимание, уделяемое показателям объемного содержания компонентов смеси – воздушной пористости, пористости минерального остова. Объемное проектирование состава смеси, когда содержание всех ее компонентов выражают в долях занимаемого ими объема в уплотненной смеси, стало важным компонентом процесса проектирования состава по методу Суперпейв.


О разработке метода Суперпейв

В 1980–1990 х годах самыми популярными с США были метод Маршалла, использовавшийся в 38 штатах, и метод Хвима, применявшийся (иногда с некоторыми видоизменениями) в 10 штатах. Федеральное агентство авиации применяет для проектирования состава смесей для аэропортов исключительно метод Маршалла. Этот метод является самым распространенным в других странах. В частности, «СоюздорНИИ» по инициативе Н. В. Горелышева и Д. И. Гегелия в 1980 х сделал попытку ввести метод Маршалла как факультативный метод проектирования смеси в России, разработав для этого временный стандарт.

Жилой район Беверли Хиллз находится внутри
Лос-Анджелеса, но имеет статус самостоятельного города. На таких улицах в Беверли Хиллз типичная конструкция дорожной одежды включает асфальтобетонное покрытие 7,5–10 см; основание из высокопористой смеси щебня с цементным раствором толщиной 10 см и дополнительное основание толщиной 15–25 см из дробленого материала низкого качества
(в том числе допускается старый цементобетон или асфальтобетон).

За прошедшие годы выяснились многие недостатки методов Хвима и Маршалла. Сконцентрировав усилия на предотвращении колеи, Ф. Хвим, Б. Маршалл и их сотрудники оставили совершенно вне рассмотрения такие распространенные виды разрушения покрытий, как появление пересекающихся усталостных трещин и низкотемпературных трещин при быстром охлаждении, а также «отраженных» трещин основания, скопированных на асфальтобетонном покрытии. Практически не охватывают эти методы вопроса об устойчивости смеси к воздействию воды и мороза, что так актуально для России. Это можно понять: методы разрабатывались в 1930–1950 х годах, когда интенсивность движения была в десятки раз меньше, чем в настоящее время, и вопрос об усталости покрытия не стоял так остро, как сегодня. Первые исследования усталости асфальтобетона в Англии (Питер Пелл, Ноттингемский университет), США (Карл Монисмит, Калифорнийский университет в г. Беркли) и в России (А. О. Салль, Ленфилиал «СоюздорНИИ») начались одновременно в середине 1960 х.

По поводу же предотвращения низкотемпературных трещин и обеспечения устойчивости к воздействию воды и мороза можно напомнить, что г. Нью-Йорк находится примерно на широте г. Баку, а г. Лос-Анджелес – примерно на широте г. Кабула. Ясно, что эта проблема не была главной для Ф. Хвима и Б. Маршалла. Тем не менее, например, в штате Миннесота зимой почти так же холодно, как в Московской области, и в настоящее время исследованию этой группы проблем уделяется много внимания.

Никаких механических испытаний асфальтобетона при температуре, близкой к среднегодовой, когда на дорогу воздействует основная часть транспортного потока, описанные методы не предусматривают.

Но даже обстоятельно рассмотренный Ф. Хвимом и Б. Маршаллом вопрос о предотвращении колеи в жаркое время года был, по сегодняшним меркам, решен неудовлетворительно. Вот несколько примеров.

1. Как уже отмечалось, усилия специалистов из инженерного корпуса были направлены на разработку дешевого и портативного способа уплотнения, который бы воспроизводил плотность смеси, полученную при строительстве и последующем доуплотнении движением. Однако непонятно, какому именно моменту службы отвечает нормируемая пористость 3–5 % – вводу в эксплуатацию или середине срока службы.

2. Исследования показали, что структура смеси, уплотненной в покрытии, существенно отличается от таковой, получаемой в лаборатории, даже при одинаковых плотностях асфальтобетона. Многие инженеры сомневаются, что ударное уплотнение грузом с плоской подошвой правильно воспроизводит процесс уплотнения смеси в полевых условиях. Поэтому серьезные специалисты (например, проф. К. Монисмит) предпочитают уплотнять смесь в покрытии и отбирать из него образцы для испытаний.

3. В методах Хвима и Маршалла испытания образцов проводят только при одной температуре 60 °С. Хотя такая температура покрытия типична для летнего периода, в США имеются штаты с наибольшей летней температурой покрытия 58 °С, и есть штаты, где она достигает 70 °С. Температурные условия испытаний не дифференцированы для разных длительностей жаркого периода.

4. Показатель устойчивости по Маршаллу легче всего повысить, взяв битум большей вязкости. Можно добиться его повышения и за счет применения более угловатых частиц щебня, то есть увеличением доли дробленого каменного материала, что логично. Но можно пойти по другому пути – ввести небольшое количество мелких частиц пылеватой фракции, тогда устойчивость увеличится. Однако оказывается, что если эти частицы очень мелкие, то их добавление приводит к уменьшению устойчивости по Маршаллу. В комплексе анализировать влияние таких изменений в составе смеси на показатели устойчивости и пластичности весьма сложно.

5. При измерении показателя устойчивости по Маршаллу получается большой разброс. Фактически, технические условия ASTM D 1559 не содержат никаких указаний по требуемой точности определения этого показателя (что очень необычно для стандартов ASTM), хотя попытки собрать данные о разбросе в разных лабораториях неоднократно делались на протяжении многих лет. Получается, что показатель, изменяющийся при влиянии состава смеси, имеет большой разброс. Ясно, что продуктивно работать с таким показателем могут только опытные специалисты.

6. Нормативные значения устойчивости по Маршаллу трудно дифференцировать в зависимости от интенсивности движения. Представим себе, что надо подобрать смесь для покрытия при суммарном числе проездов расчетной нагрузки 20000. Тогда, согласно приведенной выше таблице, требуется обеспечить показатель устойчивости 5338 Н. Но представим себе отношение инженера к этому требованию: такой же показатель устойчивости требуется для 900000 проездов! Хотелось бы приблизиться к показателю 3336 Н, нормированному для интенсивности менее 10000, но интерполировать не разрешается, что можно понять в связи со значительным разбросом результатов измерений устойчивости.

7. Как показал накопленный опыт, применение битума, модифицированного полимером, способствует повышению устойчивости к образованию колеи. Однако при использовании методов Хвима и Маршалла положительный эффект от введения полимера просматривается далеко не однозначно. Например, в одном из проектов при модификации битума добавкой 1,5 % полимера Elvaloy получалось, что оптимальное содержание вяжущего увеличилось на 0,4 %, показатели стабильности и текучести слегка возросли, но так, что их отношение (жесткость) уменьшилось. В итоге, если ориентироваться только на результаты испытаний по Маршаллу, то применение полимерной добавки в данном случае нецелесообразно, что противоречит полевым испытаниям. Подобных примеров можно привести много.

8. Повышение или понижение показателя устойчивости асфальтобетона никак не сказывалось на проектной толщине асфальтобетонного покрытия или расположенного под ним основания, поскольку полученные механические характеристики не были связаны с расчетом дорожной одежды на прочность. Между тем, инженерный здравый смысл подсказывает, что глубина колеи непосредственно связана с толщиной асфальтобетонного покрытия. Кроме того, при не очень толстом покрытии колея в значительной степени обусловлена деформациями щебеночного основания, поведение которого зависит от жесткости покрытия, а при тонком покрытии – и накоплением остаточных деформаций переувлажненного грунта. Методы же Хвима и Маршалла рассматривают накопление остаточных деформаций как следствие только свойств асфальтобетона, без учета даже толщины слоя из этого материала.

В конце 1980 х стало ясно, что взамен чисто эмпирических методов Хвима и Маршалла необходимо разработать новый метод проектирования состава асфальтобетонной смеси на более фундаментальной научной основе. С этой целью с 1988 по 1993 год Федеральное правительство США профинансировало работы Стратегической дорожной исследовательской программы (Strategic Highway Research Program – SHRP), в которых приняли участие сотни исследователей из разных стран. Полученные результаты содержат три основных элемента: (1) новую систему классификации вяжущих; (2) требования к каменным материалам; (3) метод проектирования состава асфальтобетонной смеси. Для удобства эта система названа сокращенно Суперпейв (Superior Performing Asphalt Pavement System – Superpave). Система Суперпейв в настоящее время дорабатывается в сочетании с новым методом расчета дорожных одежд и одновременно внедряется в подавляющем большинстве штатов.

В данном обзоре были рассмотрены основные этапы развития инженерной мысли в области проектирования состава асфальтобетонных смесей в США вплоть до появления системы Суперпейв, которой целесообразно посвятить отдельную статью.

Литература:

  1. Clifford Richardson, The Modern Asphalt Pavement (New York, 1905).
  2. Mix Design Methods for Asphalt Concrete (MS-2). 2d ed. Asphalt Institute, 1963. The Asphalt Handbook (MS-4), Asphalt Institute, 1989, 607 p.
  3. Расчет толщины пленки в уплотненной асфальтобетонной смеси. В кн.: Б. С. Радовский. Проблемы механики дорожно-строительных материалов и дорожных одежд (Избранные труды). Киев, ООО «Полиграф Консалтинг», 2003, c. 233–252.
  4. ASTM D5581–96 (2001) Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus (6 inch-Diameter Specimen).



Опубликовано: 26.04.06
Версия для печати
Рубрика: Дорожные работы
Автор: Радовский Б.С.  
Источник: Дорожная техника (Все статьи..)