Объемный метод проектирования составов асфальтобетонных смесей суперпейв

№89-1,

технические науки

Рассматривается объемный метод проектирования составов асфальтобетонных смесей Суперпейв. Описываются особенности асфальтобетонных смесей, применяемых в России. Сравниваются уплотняемость различных смесей в сравнении со смесями, полученными объемным методом проектирования составов Суперпейв. Приводится описание особенностей системы Суперпейв.

Похожие материалы

Введение

Общей целью проектирования состава асфальтобетона является выбор экономичного сочетания материалов — так, чтобы при достаточной толщине и хорошем качестве строительства получилось покрытие, которое служит в течение ожидаемого срока в данных природных условиях при движении определенной интенсивности.

В США в качестве пионеров в области разработки новых асфальтобетонных технологий вначале выступали подрядчики-строители, например, A.L. Barber и F.J. Warren.

В период 1880-1900 г. в компании Барбера была разработана и очень широко внедрена технология песчаного асфальтобетона.

Уоррен, получивший за один год (май 1901 — апрель 1902) 6 патентов на щебеночный асфальтобетон, разработал зерновые составы и рабочие формулы смесей с максимальным размером щебня до 75 мм. Щебеночные асфальтобетоны с рационально подобранными зерновыми составами для зерен разной максимальной крупности имели пористость минерального остова примерно вдвое меньше песчаных, что позволило компании Уоррен Брозерс почти вдвое уменьшить расход битума и при этом повысить устойчивость к образованию колеи по сравнению с песчаными смесями компании Барбер-Грин. Кроме того, применение смесей с крупными зернами уменьшило опасность образования колеи, что сделало возможным применение менее вязких битумов, а это, по-видимому, положительно сказалось на устойчивости покрытия к образованию температурных трещин при охлаждении.

На сегодняшний день известно множество различных методов и способов проектирования состава асфальтобетона, но значительный интерес представляют методики, которые наиболее точно характеризуют физико-механические свойства и эксплуатационное поведение асфальтобетона — модуль упругости (жесткости) при различных температурах, устойчивость к образованию колеи, чувствительность к воздействию влаги (водостойкость), усталостная долговечность, трещиностойкость.

Литературный обзор

В качестве исполнителей научно-исследовательских работ, направленных на изучение и анализ Суперпейва, обычно выступают группы, состоящие из сотрудников различных университетов и центральных лабораторий крупных компаний, а также частные исследовательские институты и фирмы, например Asphalt Institute (штат Кентукки), Western Research Institute (штат Вайоминг), Advanced Asphalt Technologies, LLC (штат Вирджиния), ABATECH (Ноттингем, Англия, и штат Пенсильвания), Nichols Consulting Engineers (штат Калифорния) и др.

В исследованиях участвует ряд специалистов весьма высокой квалификации. Так, к исследованиям битумов и битумно-полимерных вяжущих были привлечены ученые-химики G. King, M. Bouldin, C. Petersen (США), L. Zanzotto (Канада), J.P. Planche (Франция) и другие.

Вместе с тем, для оценки свойств вяжущих современные методы реологии задействовали D.A. Anderson (университет штата Пенсильвания), его бывшие аспираты D.W. Christensen, H. Bahia, R. Dongre и их сотрудники, которые по основному образованию являются инженерами-дорожниками (точнее, civil engineers), а не химиками.

Исследованиями усталости асфальтобетона в первые годы разработки Суперпейва руководил C. Monismith (Калифорнийский университет в г. Беркли), а в настоящее время — M. Witczak (Аризонский университет), который сейчас одновременно возглавляет и группу, разрабатывающую новую инструкцию по проектированию нежестких дорожных одежд.

Тем самым соответствие подходов к прогнозированию разрушений в Суперпейве и методов расчета дорожных одежд на прочность обеспечивается автоматически.

К разработке методики прогнозирования хода процесса усталостного и низкотемпературного разрушения асфальтобетона был привлечен выдающийся специалист в области прочности композиционных материалов R.A. Schapery (Техасский университет в Остине).

Ему удалось решить сложную задачу о напряженном состоянии вязкоупругого материала вблизи вершины имеющейся в нем трещины и на этой основе построить теорию распространения трещин в вязкоупругих композитах при монотонном или пульсирующем нагружении.

На русском языке его большая статья на эту тему опубликована в книге «Механика композиционных материалов. Том 2», (Изд-во МИР, М. 1978, с.102–195). Эта теория была затем использована для расчета корпуса ракеты на твердом топливе, представляющем собой полимер, наполненный твердыми зернами, занимающими свыше 70 % объема.

Во многих отношениях этот композит напоминает асфальтобетон. Основываясь на теории R.A. Schapery, известный ученый в области механики грунтов и дорожных одежд R.L. Lytton (Техасский университет в Колледж-Стейшен) разработал методику прогноза усталости асфальтобетона по результатам его испытания на ползучесть с учетом нелинейной связи между напряжениями и деформациями, а также изменения механических свойств асфальтобетона при постепенном нарастании его поврежденности.

Работу в этом направлении продолжают ученые более молодого поколения Y.R. Kim, S.W. Park и H.J. Lee. Между исследователями и инженерами, работающими на АБЗ и строительстве дорог, имеется значительный разрыв, для преодоления которого требуется время.

Чтобы оперировать с таким фигурирующим в дорожных стандартах показателем свойств вяжущего и асфальтобетона, как комплексный модуль сдвига G*=Gʹ+iG˝ (где i — толщина испытуемого образца), инженер должен понимать, что такое комплексное число. Это практически важно, поскольку вещественная часть модуля G˝ характеризует упругость вяжущего, а его мнимая часть G˝ — вязкие свойства.

Для освоения таких понятий и новых приборов требуется техническая учеба. В стране имеется несколько учебных центров Суперпейва и передвижная лаборатория Федеральной дорожной администрации, оборудованная основными необходимыми приборами.

На протяжении 10 последних лет эта лаборатория ежегодно посещает несколько штатов и оказывает практическую помощь в проектировании асфальтобетонных смесей для конкретных местных условий.

В США нет общегосударственных, имеющих силу закона, дорожных стандартов типа российских СНиП «Автомобильные дороги» или ГОСТ Р «Геометрические элементы автомобильных дорог».

Федеральные нормативы носят рекомендательный характер, например, «Политика геометрического проектирования дорог и улиц». Дорожные стандарты обычно издаются Американской ассоциацией дорожных и транспортных представителей штатов (AASHTO). Они разрабатываются организациями или ассоциациями, в которые входят представители правительства и промышленности, изготовителей и потребителей, организации и частные лица. Их подготовка финансируется заинтересованными сторонами на добровольных началах при поддержке государства — Федеральной дорожной администрации (FHWA) и Транспортно-исследовательского отдела (TRB) Национальной академии наук.

Например, в 1956-1960 гг. ассоциация AASHO (Американская ассоциация государственных дорожных служащих, которая впоследствии была переименована в AASHTO, — Американская ассоциация государственных дорожно-транспортных служащих) организовала испытания нескольких сотен конструкций дорожных одежд разными нагрузками на полигоне в штате Иллинойс, а затем инициировала разработку чисто эмпирического метода расчета дорожных одежд, базируясь на результатах этих испытаний — метода AASHO.

К 1960 г. на этот эксперимент израсходовали 27 млн долл. В 1965 г. автор впервые узнал об испытаниях на полигоне AASHO из доклада, который сделал проф. Н.Н. Иванов в Ленинградском Доме ученых.

Назвав сумму 27 млн долл., Н.Н. Иванов доверительно сказал аудитории (это было в годы короткой «оттепели»): «Наверное, это больше, чем в нашей стране было истрачено на дорожные исследования за все годы. За такие деньги мы сделали бы более полезную работу».

Тогда автор считал это утверждение справедливым, но теперь он в этом не уверен. Мы до сих пор пользуемся коэффициентами приведения к расчетной нагрузке, найденными в этих испытаниях; показателями эксплуатационного состояния; «балкой Бенкельмана» для измерения прогиба покрытия и другими прямыми и косвенными результатами испытаний на полигоне.

Нормативные документы для проектирования нежестких и жестких дорожных одежд по методу AASHO периодически корректировали и переиздавали до 1993 г., когда приступили к разработке уже упоминавшегося механико-эмпирического метода (M-E Design).

Регулирование составов асфальтобетонных смесей в России и в мире

В Российском ГОСТ 9128 существует понятие пористых и высокопористых асфальтобетонных смесей, остаточная пористость которых составляет от 5 до 10% и свыше 10% соответственно. В большинстве случаев данный вид асфальтобетона применяется для устройства нижних слоев асфальтобетонной дорожной одежды с использованием щебня крупностью до 40 мм.

Установлено, что конструктивный слой из пористого асфальтобетона обладает высокой водопроницаемостью и периодически насыщается водой, теряя при этом свои прочностные характеристики. Вода может проникать в асфальтобетонный слой как сверху, сбоку, так и снизу из щебеночного основания, тем более, что в крупнозернистых смесях содержится большое количество взаимосвязанных открытых пор и они склонны к проникновению воды даже при остаточной пористости 5-7% [14].

В результате ослабевает вся конструкция дорожной одежды. В научных работах [12, 13] приводится множество реальных примеров преждевременного разрушения покрытий, где причиной являлись асфальтобетонные слои, которые поглощают и удерживают влагу. При насыщении водой и под действием движения автомобильного транспорта происходит отслоение битумной пленки от каменного материала, что приводит к дальнейшим повреждениям слоев асфальтобетона.

Также отмечается, что большинство выбоин и разрушений наблюдается не у оси, а у кромки покрытия, поскольку именно там происходит накопление влаги.

Кроме того, пористый асфальтобетон содержит меньшее количество битума и обладает более низким сопротивлением к усталости и растягивающим деформациям.

Как говорилось выше, в России данный вид асфальтобетона используют для устройства нижних слоев, которые, в соответствии с концепцией вечных дорожных одежд [9], должны обладать высокой стойкостью к усталости при растяжении. На рисунке 1 в виде схемы кратко изложена концепция вечных дорожных одежд.

Концепция вечных дорожных одежд
Рисунок 1. Концепция вечных дорожных одежд

Огромный положительный опыт применения плотных смесей в нижних слоях покрытия накоплен в Санкт-Петербурге. При ремонте городских улиц и магистралей уже более 10 лет в качестве нижнего слоя покрытия применяется не пористый, а крупнозернистый плотный асфальтобетон типа А. Город одним из первых в России начал применять данную технологию, поэтому в данной работе считаю важным обратить на это внимание.

При применении крупнозернистых асфальтобетонов необходимо увеличить содержание щебня до 60-65%. Сравнивая зерновой состав крупнозернистых асфальтобетонных смесей (Тип А, пористая) по ГОСТ 9128 с зерновыми составами асфальтобетонов как Европы, так и США (табл. 1), можно сделать вывод, что в требованиях к нашим крупнозернистым смесям ограничивается количество щебня 50-60% [4].

В то же время, в стандартах других стран содержание щебня составляет от 50 до 75%. Также следует отметить, что содержание щебня растет при увеличении его крупности (см. табл. 1).

Во всех спецификациях и комментариях к ним рекомендуется приближать зерновой состав к нижней границе грансостава для повышения жесткости слоя и увеличения его сдвигоустойчивости. Смеси, близкие к нижней границе контрольных пределов (те, что проходят ниже рекомендуемой зоны и кривой максимальной плотности), имеют лучшую каменную структуру и повышенную устойчивость к колееобразованию.

Занижая количество щебня в крупнозернистых смесях и одновременно увеличивая их мелкую составляющую, мы получаем в зоне наиболее опасных сжимающих нагрузок (см. рис.1) асфальтобетон, склонный к накоплению пластических деформаций и к колееобразованию, который относится к легкоуплотняемым, пластичным смесям, это также подтверждается в работе [3].

На автодорогах с большой интенсивностью и грузонапряженностью движения в слоях покрытия не рекомендуется применять асфальтобетон типа Б, поскольку его зерновой состав относится к легкоуплотняемым асфальтобетонам.

В лаборатории ЗАО «ВАД» был проведен сравнительный эксперимент по определению склонности к уплотняемости различных смесей на гираторе-компакторе. Данный прибор позволяет изготавливать образцы из асфальтобетонной смеси диаметром 100 и 150 мм путем вращения относительно вертикальной оси специальной стальной формы под постоянным углом наклона и с приложением вертикального давления 600 кПа, что примерно соответствует давлению колеса автомобиля на покрытие.

Таблица 1. Сравнение зерновых составов асфальтобетонных смесей

Размер сита

Наименование норм, спецификаций, страна

Россия,

ГОСТ 9128-2013

Финские нормы 2000

США, штаты

Австралия AAPA

Канада (Новая Шотландия)

Аляска 2004

Вашингтон WSDOT 2010

Суперпейв 1999

Тип А

пористые

АВК 32

АВS 22

Type 1

NMSS 25 мм

NMSS 37,5

D0,45

Dmss (40 мм)

NMSS 25 мм

АС 40

Type A

Размер зерен, мм, мельче

40 (37,5)

90-100

90-100

90-100

100

100

100

90-100

100

90-100

100

28

-

-

70-82

90-100

-

-

-

-

-

-

25 (25)

-

-

-

-

100

90-100

-

81

72-87

95-100

20 (19)

66-90

75-100

62-78

70-86

80-90

< 90

-

73,2

58-76

-

15 (12,5)

56-70

64-100

42-62

55-74

60-84

-

-

64,3

-

60-80

10 (9,5)

48-62

52-88

34-55

45-65

48-78

-

-

53,6

38-58

-

5 (4,75)

40-50

40-60

22-43

29-51

28-63

30-46 (39)

(34,7)

39,2

27-43

25-50

2,5 (2,36)

28-38

28-60

18-36

21-43

14-55

19-45 (27-31)

15-41 (23-27)

28,7

16-33

15-45

1,25 (1,18)

20-28

16-60

13-30

14-34

9-44

(18-24)

(15,5-21,5)

21,0

11-26

-

0,63 (0,6)

14-20

10-60

10-23

10-27

6-34

(13,6-17,6)

(11,7-15,7)

15,4

7-20

-

0,315 (0,3)

10-16

8-37

8-18

8-23

5-24

(11,4)

(10,0)

11,3

5-14

3-18

0,16

6-12

5-20

5-13

6-14

4-16

8,3

4-10

-

0,071 (0,075)

4-10

2-8

3-9

5-9

3-7

1-7

0-6

5,8

3-6

1-7

Примечание: в скобках даны размеры сит в соответствии с американским стандартом. В столбцах зерновых составов США в скобках указаны рекомендуемые значения.

NMSS — номинальный максимальный размер сита, на один размер больше первого сита, остаток на котором превышает 10% MSS — максимальный размер стандартного сита на один больше номинального.

В результате смесь подвергается сдвиговым деформациям и уплотнение происходит без разрушения, дробления, изменения зернового состава и структуры, в отличие от процесса изготовления образцов при постоянном давлении на прессе стандартным способом.

При этом на гираторе-компакторе существует несколько режимов изготовления образцов — до требуемой (заданной) плотности, по количеству оборотов при уплотнении и до заданной высоты образца.

Таким образом, помимо обычного изготовления образцов для проведения дальнейших испытаний, по числу оборотов при формовании на гираторе-компакторе мы можем оценивать склонность смеси к уплотняемости (то есть, малое число оборотов — смесь легкоуплотняемая, большое число оборотов — трудноуплотняемая, жесткая смесь).

В результате мы получаем информацию, которая косвенно характеризует как технологические свойства асфальтобетонной смеси, так и ее дальнейшее эксплуатационное поведение (устойчивость к колееобразованию).

Сравнение уплотняемости различных смесей: система Суперпейв в действии

Как видно из данных, приведенных в таблице 2, наибольшую склонность к уплотнению показала смесь типа Б, которая всего за 35 оборотов гиратора достигла требуемой плотности, смесь типа А № 3 с высоким (в пределах ГОСТ) содержанием частиц размером мельче 0,63 мм также можно отнести к легкоуплотняемым, на дороге, при интенсивном движении, такой асфальтобетон будет склонен накапливать пластические деформации.

Смесь типа А № 1, выпускаемая по утвержденному рецепту завода АБЗ-ВАД, и экспериментальная смесь типа А № 2, с минимальным в пределах ГОСТ содержанием частиц размером мельче 0,63 мм показали высокую устойчивость к уплотняемости (уплотнению), что свидетельствует о наличии жесткой каменной структуры в материале.

На уплотнение таких асфальтобетонных смесей потребуется затратить большее количество энергоресурсов, но в то же время данные асфальтобетоны будут более устойчивыми к колееобразованию.

Таблица 2. Сравнение уплотняемости различных смесей

Наименование показателя

Наименование смеси

м/з Тип А № 1 с содерж. щебня 56% и частиц <0,63 мм — 17%, <0,071 мм — 8%

м/з Тип А № 2 с содерж. щебня 60% и частиц <0,63 мм — 15%, <0,071 мм — 6%

м/з Тип А № 3 с содерж. щебня 60% и частиц <0,63 мм — 20%, <0,071 мм — 10%

м/з плотный Тип Б

Метод уплотнения: по ГОСТ 12801-98 (вибростол +20 Мпа)

1

Плотность, г/см3

2,63

2,63

2,66

2,66

2

Водонасыщение, %

3,5

3,5

2,0

1,8

Метод уплотнения: Гираторный, до требуемой плотности

3

Количество оборотов гиратора

90

120

50

35

4

Плотность, г/см3

2,63

2,64

2,67

2,67

5

Водонасыщение, %

3,0

3,0

1,5

1,4

Метод уплотнения: Гираторный, по числу оборотов 120

6

Плотность, г/см3

2,64

2,64

2,71

2,72

7

Водонасыщение, %

2,3

3,0

0,6

0,4

Метод уплотнения: Гираторный, по числу оборотов 200

8

Плотность, г/см3

2,68

2,665

2,73

2,74

9

Водонасыщение, %

1,5

2,0

0,1

0,2

На рис. 2 показан график зависимости остаточной пористости от числа оборотов гиратора для смесей, приведенных в таблице 2, на котором четко видно резкое снижение количества пор в процессе уплотнения у асфальтобетона типа Б и асфальтобетона типа А № 3 с высоким содержанием частиц размером мельче 0,63 мм.

Согласно подходу системы Суперпейв и спецификациям США, в смеси с оптимальным гранулометрическим составом и количеством битума должно содержаться 4% пустот (остаточная пористость 4 % или требуемая плотность 96% от максимальной теоретической плотности) при количестве оборотов гиратора — Ndesign.

Для дорог с высокой интенсивностью Ndesign составляет 125 оборотов. Как видно из графика, асфальтобетонная смесь типа Б достигла требуемой остаточной пористости 4% всего за 44 оборота гиратора, смесь типа А № 3 — за 58 оборотов — это свидетельствует о легкоуплотняемости (пластичности) данных смесей.

График зависимости остаточной пористости от числа оборотов гидратора
Рисунок 2. График зависимости остаточной пористости от числа оборотов гидратора

При использовании гранитного материала для производства асфальтобетонных смесей необходимо обязательное введение адгезионных присадок, даже для нижних слоев, поскольку при насыщении водой идет значительное снижение прочности асфальтобетона.

В лаборатории ЗАО «ВАД» было определено, что снижение модуля жесткости у асфальтобетона на гранитных материалах после водонасыщения составляет порядка 20-30%, в то же время такого падения не наблюдалось у аналогичного асфальтобетона на габбро-диабазе. На рис. 3 показано оборудование по определению модуля жесткости в соответствии с европейским стандартом EN 12697-26 Метод С.

Оборудование по определению модуля жесткости
Рисунок 3. Оборудование по определению модуля жесткости

Данное оборудование является универсальным и позволяет проводить испытания асфальтобетонных образцов, как взятых из покрытия (кернов), так и заформованных в лабораторных условиях. Так же с использованием данного оборудования можно испытывать асфальтобетон на ползучесть при трехосном сжатии EN 12697-25 Метод В, что фактически является аналогом испытания на устойчивость к колееобразованию на приборе «Wheel Tracker» (малое колесо), и определять усталостные характеристики при непрямом растяжении EN 12697-24 Метод Е.

Конструкции дорожных покрытий.

На сегодняшний день в Европе и в США на наиболее загруженных трассах, как правило, применяются следующие конструкции дорожных покрытий, обеспечивающие высокую стойкость к колееобразованию, в том числе от воздействия шипов покрышек (абразивный износ):

  1. двухслойное покрытие SMA (ЩМА) — нижний слой из щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси SMA 16 или SMA 22; верхний слой из SMA 10;
  2. двухслойное покрытие — нижний слой SMA 16 или SMA 22; верхний слой тонкослойное износостойкое покрытие прерывистого (открытого) грансостава (OGFC) или «Novachip»;
  3. двухслойное покрытие — нижний слой крупнозернистый жесткий плотный асфальтобетон с высоким содержанием щебня (до 65-75 %); верхний слой — тонкослойное износостойкое покрытие открытого грансостава (OGFC) либо «Novachip», либо SMA 10.

Финские нормы на асфальт [2] рекомендуют в качестве покрытия на магистралях с высокой интенсивностью движения применение асфальтобетонов с повышенной крупностью каменного заполнителя — SMA 16 и SMA 22.

Главным образом это связано с обеспечением устойчивости покрытия против абразивного износа шипованными автомобильными шинами. Российский аналог SMA 16 — ЩМА 20 по ГОСТ 31015-2002, SMA 22 — ЩМА 30 по СТО ЗАО «ВАД» 3490716.042-2012.

Российским аналогом тонкого слоя износа «Novachip» является тонкослойное покрытие из горячей битумоминеральной смеси БМС 0/10 или БМС 0/15 по СТО ЗАО «ВАД» 3490716.017-2009.

Для сравнения в таблице 3 приведены гранулометрические составы смесей, применяемых для верхнего слоя покрытия (слоя износа) в странах Скандинавии, США и России. Зерновые составы БМС 0/15, применяемой ЗАО «ВАД», и скандинавского износостойкого асфальтобетона схожи и имеют незначительные отличия.

При этом нижний слой рекомендуется делать на более жестком вяжущем, например, ПБВ 60 с пенетрацией ближе к 60 ед. или с использованием модификаторов.

Таблица 3. Сравнение зерновых составов верхних слоев износа

Размер сита, мм

Страна, наименование норм, спецификаций

Россия, ГОСТ 9128-2009

Россия, ГОСТ 31015-2002

Скандинавия

Спецификации США, слой износа прерывистого грансостава

Россия ЗАО «ВАД», СТО 3490716.017-2009

Тип А

ЩМА 15

Scandinavia Type (традиционный)

UltraWear «C» (износостойкий)

OGFC (Open Graded Friction Course)

БМС 0/15

Размер зерен, мм, мельче

25 (25)

100

100

100

100

100

100

20 (19)

90-100

100

95-100

100

100

100

15 (12,5)

75-100

90-100

75-90

85-100

80-100

90-100

10 (9,5)

62-100

40-60

50-65

65-85

35-60

70-90

5 (4,75)

40-50

25-35

30-42

23-37

10-25

25-40

2,5 (2,36)

28-38

18-28

20-32

21-31

5-10

18-28

1,25 (1,18)

20-28

15-25

15-25

15-23

-

15-25

0,63 (0,6)

14-20

12-22

10-18

10-18

-

12-22

0,315 (0,3)

10-16

10-20

8-14

8-14

-

10-20

0,16

6-12

9-16

6-10

6-10

-

7-14

0,071 (0,075)

4-10

9-14

4-7

4-7

1-4

4-10

Данные конструктивы соответствуют концепции вечных дорожных одежд, которая разработана в США и в настоящее время является наиболее прогрессивной.

На сегодняшний день известно множество различных методов и способов проектирования состава асфальтобетона, но значительный интерес представляют методики, которые наиболее точно характеризуют физико-механические свойства и эксплуатационное поведение асфальтобетона — модуль упругости (жесткости) при различных температурах, устойчивость к образованию колеи, чувствительность к воздействию влаги (водостойкость), усталостная долговечность, трещиностойкость.

Кроме этого, из проведенного анализа литературы и опыта лабораторных экспериментов можно сделать вывод, что при подборе асфальтобетонных смесей необходимо строго учитывать объемно-весовые характеристики, в частности ограничить остаточную пористость 3-5 % (в среднем 4 %), пористость минеральной части, количество пор, заполненных вяжущим 65-75 %, соотношение минерального порошка (частиц размером менее 0,071) к эффективному битуму (0,6-1,6).

Данные показатели легко рассчитываются, но, в свою очередь, имеют значительное влияние на качество выпускаемой асфальтобетонной смеси.

Эксплуатационная судьба автомобильной дороги в значительной степени зависит от качественного и эффективного уплотнения всех материалов, составляющих ее конструкцию, в том числе асфальтобетонных слоев покрытия и верхней части основания.

Любой дорожник, занимающийся организацией и реализацией асфальтобетонных работ, каждый раз и для каждого конкретного объекта должен решать, по крайней мере, три задачи — чем (какими катками), как (технологические параметры и приемы) и с какими издержками (стоимость) будет выполнена важная операция уплотнения.

Найденные решения этих задач отражаются изначально в разрабатываемых технологических схемах, регламентах или проектах производства работ (ППР). При этом критерии и цели принимаемых решений должны быть следующими:

  • первоначальный выбор наиболее подходящих статических или вибрационных катков необходимо производить по их уплотняющей способности, которая должна соответствовать толщине слоя и типу намеченной к укладке асфальтобетонной смеси (многощебенистая, малощебенистая, песчаная или ЩМА на обычном, улучшенном или на модифицированном полимерами битуме соответствующей вязкости — пенетрации, крупнозернистая или мелкозернистая, плотная или пористая и т.п.) и которая должна гарантированно обеспечивать потребное качество уплотнения;
  • второй критерий выбора катка или катков (функционально-технологическое соответствие или пригодность) преследует цель своевременно (в рамках оптимальных температур горячей смеси) и качественно выполнять тот объем и выдерживать тот темп (производительность) работы по уплотнению, который задает укладчик, являющийся ведущей машиной в отряде средств по устройству верхней части дорожной одежды;
  • минимизация затрат сначала на приобретение (покупку), а затем и на эксплуатацию каждого катка, выбранного по первым двум критериям из имеющегося парка уплотняющих средств (зачем покупать и иметь в своем парке каток или катки, плохо соответствующие основным уплотняемым материалам, толщинам их слоев, объемам и видам работ по укатке, или зачем приобретать крупный, тяжелый и дорогой каток, если ту же самую работу с высоким качеством и почти с той же производительностью может выполнить менее крупный, более легкий и потому более дешевый каток?).

Описание особенностей системы Суперпейв

Авторы Суперпейва поставили перед собой задачу создать новый метод проектирования состава асфальтобетонной смеси на более фундаментальной научной основе, чем методы Хвима и Маршалла.

Что же такое фундаментальная научная основа, и нужна ли она в такой сугубо прикладной области, как дорожное дело? По мнению автора данной курсовой работы, у науки есть две основные задачи: объяснить причину явления и выдать количественный прогноз. Не случайно некоторые ученые считают официальной датой рождения науки 28 мая 585 г. до н.э., когда в городе Милете произошло солнечное затмение, предсказанное греческим мудрецом Фалесом за 6 лет до события, о чем накануне этого дня объявили городские глашатаи.

Суперпейв отличается от всех известных методов проектирования состава смеси именно тем, что для дорог с интенсивным движением ставит перед собой задачу количественного прогноза состояния асфальтобетонного покрытия во времени для данных условий эксплуатации: глубины колеи, количества усталостных и низкотемпературных трещин.

Это и является главным признаком научного подхода к делу. На этапе прогнозирования система Суперпейв соединяется с разрабатываемым сейчас в США методом расчета дорожных одежд на прочность (M-E Design Guide — «Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide»).

Это вполне естественно. Много лет назад не только в США, но и в России специалисты считали, что в ГОСТ на асфальтобетон и в инструкции по расчету нежестких дорожных одежд для характеристики механических свойств асфальтобетона должны использоваться одни и те же показатели. Это, однако, было трудно осуществить практически.

Важно, что разрабатываемые для Суперпейва методы, приборы и критерии эксплуатационного состояния не считаются окончательными, а непрерывно совершенствуются.

Почему для прогнозирования поведения асфальтобетонного покрытия во времени приходится использовать методы расчета дорожных одежд? Дело в том, что величина напряжений и деформаций, возникающих в покрытии под действием нагрузки или при изменении температуры, зависит не только от свойств асфальтобетона, но и от толщины покрытия, толщин других слоев, их деформативности и прочности, а также от вида и состояния грунта земляного полотна.

Допустим, что дорожная одежда состоит из четырех слоев. Каждый из них характеризуется минимум тремя параметрами — толщиной, показателем деформативности (например, модулем) и показателем прочности (например, на растяжение).

Кроме того, тремя параметрами характеризуется грунт (например, модулем, углом внутреннего трения и удельным сцеплением). Минимум три параметра требуется для описания нагрузки: размер отпечатка колеса, давление на покрытие и число повторных воздействий.

Получается, что в расчете требуемой толщины покрытия и возникающего в нем растягивающего напряжения с целью прогнозирования появления в нем усталостных трещин будет участвовать не менее 18 переменных.

При этом между ними должна быть безупречная логическая связь: растягивающее напряжение в асфальтобетонном покрытии тем больше, чем меньше его толщина, чем больше модуль асфальтобетона, чем меньше толщины и модули остальных слоев, чем больше давление на покрытие при данном размере отпечатка и т.д.

Найти столь сложную функцию эмпирическим путем очень трудно, и она не будет универсальной — пригодной для всех конструкций. Поэтому для определения напряжений и деформаций в дорожной одежде используют имеющиеся точные решения механики твердого тела, например, теории упругости, учитывая при этом вязкие свойства асфальтобетона путем назначения модулей упругости в зависимости от температуры покрытия и скорости движения автомобиля.

Прогноз поведения асфальтобетонного покрытия во времени оказывается общей задачей как метода проектирования состава смеси по Суперпейву на уровнях 2 и 3, так и метода расчета дорожных одежд на прочность.

Чтобы прогнозировать поведение такого сложного композиционного материала, как асфальтобетон, под одновременным действием переменной (во времени и по толщине покрытия) температуры, повторяющихся нагрузок и окислительного старения вяжущего, нужны теоретические модели. При этом учитываются упругие, вязкие и пластические свойства материала, возникающие в нем напряжения (с учетом толщин имеханических характеристик других слоев), анализируется кинетика процесса распространения в нем трещин и другие сложные явления. Эти же теоретические модели прогнозирования используются в новом методе расчета дорожных одежд.

В этом новом методе при прогнозировании накопления повреждений, а также продольных и поперечных неровностей, каждый год разбивается на периоды (например, недельные или двухнедельные), в пределах которых влажность грунта и максимальная дневная температура покрытия считаются постоянными.

Учитывается также изменение интенсивности движения в течение суток. В дальнейшем предусмотрена углубленная проработка методики прогнозирования накопления вертикальных перемещений, приводящих к образованию колеи, методики прогнозирования миграции влаги в дорожной одежде, совершенствование методов учета разброса толщин слоев и их характеристик, калибровка моделей прогнозирования поведения конструкции в процессе службы по накопленным экспериментальным данным на опытных участках (прогноз появления усталостных, температурных и отраженных трещин, появления колеи и продольных неровностей).

В целях калибровки теоретических моделей используются данные, получаемые при испытаниях дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями на стендах и полигонах, где движущиеся нагрузки заданы и точно известны, а также на опытных участках дорог в натурных условиях.

Всего в стране имеется 15 действующих стендов и полигонов для испытания дорожных одежд, в том числе 6 — принадлежат дорожным департаментам штатов, 5 — университетам, 2 — корпусу военных инженеров, 1 — федеральной дорожной администрации, и один находится в частном владении. Стенды для испытания дорожных одежд с 1960-х имеются в университетах штатов Вашингтон и Иллинойс. Кроме них, для проведения испытаний в рамках Суперпейва задействован новый овальный трек Центра технологии асфальтобетона (NCAT) при Обурнском университете в Алабаме, на котором за первые 2 года к 46 опытным секциям асфальтобетонных покрытий (из различных смесей) с общим протяжением 2800 м было приложено 10 млн осевых нагрузок от движущихся тягачей сприцепами.

В научно-исследовательском центре Федеральной дорожной администрации (FHWA) имеется прямолинейный стенд ALF (Accelerated Loading Facility — установка для ускоренного испытания), каждая из двух передвижных установок которого позволяет прикладывать 35 тыс. повторных осевых проездов в неделю при нагрузке на одиночное или спаренное колесо 44-100 кН.

Испытывают 24 опытных секции длиной по 14 м и шириной 4 м. На этом стенде испытывали 12 параллельных «полос» с идентичными конструкциями дорожных одежд, отличавшимися только свойствами вяжущего верхнего слоя покрытия.

Длина каждой из них — 28 м, ширина — 4 м. Каждая полоса (с покрытием из смеси с данным типом вяжущего) была по длине разделена на две равные секции.

На одной секции проводили испытание при температуре 64 °C и измеряли глубину колеи. На другой секции проводили испытание повторными нагрузками при температуре 19 °C и фиксировали образование усталостных трещин.

Затем оценивали, насколько нормируемые Суперпейвом технические требования к вяжущему (отношение |G*| / sin(δ) для предотвращения пластических деформаций и произведение |G*| sin(δ) для сопротивления усталости) соответствуют действительному поведению покрытий на разных вяжущих поверхностях.

Система стандартизации в США является добровольной. Каждый штат сам издает свой сборник дорожных стандартов, включающий такие разделы: общие положения, земляные работы, основания и дополнительные основания, покрытия, строительные конструкции, дренажные устройства, полоса отвода, разметка и строительные материалы. Широкое распространение получили муниципальные и городские строительные нормы.

Они обычно имеются в крупных городах с исторически сложившейся нормативной базой, которую поддерживают и развивают местные научные и проектные организации, а финансируют местные органы власти. Их соблюдение тщательно контролируется.

Подготовка Суперпейва на первом этапе финансировалась из федеральных фондов, а в дальнейшем поддерживалась также штатами. Решение же относительно того, принимать ли Суперпейв в качестве стандарта, находится в компетенции каждого штата, округа, графства, большого города.

Соответственно, насильственного внедрения нет — каждый хочет попробовать сам, если мотивированно обещают, что новое будет лучше старого. Первое покрытие из смеси, запроектированной по Суперпейву, было устроено в июле 1992 г. в штате Висконсин.

В настоящее время из 50 штатов 48 уже используют Суперпейв, а в Калифорнии и Аляске планируют приступить к его использованию. Поскольку применение методики проектирования смеси по Суперпейву для дорог с интенсивным движением сопряжено с необходимостью прогнозировать состояние покрытия во времени (второй и третий уровни проектирования состава смеси), внедрение Суперпейва связано с внедрением нового метода проектирования дорожных одежд (M-E Design).

Поэтому уместно отметить, что к 2007 г. этот метод проектирования дорожных одежд уже довольно широко используют в 17 штатах: Мейн, Флорида, Вашингтон, Миссури и др., приспосабливая расчетные характеристики материалов и требования к конструкции к своим условиям. В Канаде только три провинции используют Суперпейв и одна планирует.

Заключение

Таким образом, на сегодняшний день известно множество различных методов и способов проектирования состава асфальтобетона, но значительный интерес представляют методики, которые наиболее точно характеризуют физико-механические свойства и эксплуатационное поведение асфальтобетона — модуль упругости (жесткости) при различных температурах, устойчивость к образованию колеи, чувствительность к воздействию влаги (водостойкость), усталостная долговечность, трещиностойкость.

К сожалению, в России на данный момент нет четкого подхода и разработанных методик, которые учитывали бы все перечисленные выше показатели при проектировании состава асфальтобетона, поэтому нам необходимо нарабатывать статистику, постепенно внедрять и использовать данные характеристики и методы на практике, учитывая положительный зарубежный опыт.

Огромный положительный опыт применения плотных смесей в нижних слоях покрытия накоплен в Санкт-Петербурге. При ремонте городских улиц и магистралей уже более 10 лет в качестве нижнего слоя покрытия применяется не пористый, а крупнозернистый плотный асфальтобетон типа А. Город одним из первых в России начал применять данную технологию, поэтому в данной работе считаем важным обратить на это снимание.

Таким образом, на основе анализа как собственного, так и зарубежного опыта, мы рассмотрели ряд мероприятий, которые уже сейчас позволят повысить долговечность асфальтобетонных покрытий.

Безусловно, проектировщики и экономисты должны принять к рассмотрению, оценить данные мероприятия и внести их в соответствующую документацию.

Конечно, степень использования методик Суперпейва неодинаковая. Так, в 12 штатах Суперпейв используют только для условий интенсивного движения, а 4 штата пока используют только требования Суперпейва к вяжущим, но не методику подбора состава.

Муниципальные дорожные агентства часто следуют за своим штатом, но в замедленном темпе. Так, до 2005 г. в 33 штатах графства и округи не использовали Суперпейв для подведомственных им объектов. В 2005 г. были опрошены 72 агентства. На вопрос «Обнаружены ли Вами изменения в поведении асфальтобетонного покрытия в результате использования Суперпейва?» — были получены 22 утвердительных ответа.

Список литературы

  1. Горячие асфальтовые смеси, материалы, подбор составов смесей и строительство автомобильных дорог в северной Америке. Передовой зарубежный опыт. Национальный центр по асфальтовой технологии (NAPA), третье издание, «Росавтодор», 2009.411с.
  2. Финские нормы на асфальт 2000: Совещательная комиссия по покрытиям PANKry, Хельсинки (Finisn Specifications for asphalt 2000: Advisory commission on pavements PANKry, Helsinki).
  3. EN 13108.1 (D) Bituminous mixtures. Material specification Part 1 Asphalt Concrete.
  4. National asphalt specification. Australian Asphalt Pavement Association Limited (AAPA), Edition 2 — April 2004.
  5. Standart specification for highway construction. Alaska Department of Transportation and Public Facilities — 2004
  6. Standart specification for Road, Bridge and Municipal construction. Washington State Department of Transportation (WSDOT) — 2010.
  7. Superpave. Final Report of the TRB Superpave Committee. TRB, 2005, pp.1–56
  8. Мирошниченко С..И. Стратегический материал//Автомобильные дороги. 2011. №.4. С. 47.52.
  9. Радовский Б..С. Концепция вечных дорожных одежд // Дорожная техника. Каталог-справочник 2011. С. 120.132
  10. David E. Newcomb, Richrd Willis, David H. Timm. Perpetual Asphalt Pavements. Asphalt Pavement Alliance — 2009.
  11. John D’Angelo, John Bukowski, Thomas Harman. Superpave Asphalt Mixture Design Workshop Workbook, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, version 6.2 — July 1999.
  12. Kandhal P. S. and I. Rickards. Premature Failure of Asphalt Overlays from Stripping: Case Histories. Asphalt Paving Technology, Volume 70, 2001.
  13. Kandhal P.S. Moisture Susceptibility of HMA Mixes: Identification of Problem and Recommended Solutions. National Asphalt Pavement Association, Quality Improvement Publication (QIP) No. 119, December 1992.
  14. Mallick R. B. et al. Evaluation of Factors Affecting Permeability of Superpave Designed Pavements. National Center for Asphalt Technology, Report 03.02, June 2003.