Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
The article describes the technology of designing asphalt pavements, according to the Superpave method. The Superpave System (SUperior PERforming Asphalt PAVEments) is developed by the US Strategic Highway Research Program (SHRP). The goal of the program is to search for new ways of designing asphalt concrete pavements that will work better under extreme temperatures and intensive traffic loads. The Superpave system is primarily concerned with two problems associated with road surface: constant deformation, which is a consequence of insufficient strength of asphalt concrete in shear at high temperatures; and low-temperature damage, which is formed during the compression of the asphalt concrete pavement, the tensile stress exceeds the tensile strength. The solution of these problems is carried out by the most rational selection of components of the asphalt concrete mix. This technology has interested Russia relatively recently. In 2016, preliminary national standards have been translated and issued. They describe requirements of materials for design and selection of the mixture. The article reviews technical documentation in order to develop a methodology for the selec-tion of asphalt mix. In the course of the research, the technological features of selection and design of the asphalt mix using the given method are considered and a block diagram is made for the selection of asphalt composition. This system makes it possible to design the fine-grained and gravel-mastic as-phalt mixes. The introduction of foreign experience in the construction of roads can contribute to the quality improvement of Russian highways
Superpave, design, asphalt pavement, test methods
В любой стране автомобильные дороги являются одной из важнейших отраслей хозяйства. На долю автомобильных перевозок приходится большая часть пассажирского и грузовых потоков, что в свою очередь влияет на состояние дорожного покрытия. Увеличение осевой нагрузки транспортных средств и количества перевозимых грузов ведет к необходимости изменить требования к материалам для строительства автомобильных дорог. Поиск и разработка новых методов проектирования ведется во многих странах. В частности, в США бы разработан метод объемного проектирования асфальтобетонной смеси под названием «Superpave». Внедрение этой технологии может способствовать получению асфальтобетонных покрытий с высокими эксплуатационными качествами и надежностью.
Система Superpave (SUperior PERforming Asphalt PAVEments) была разработана стратегической программой исследований автомобильных дорог (SHRP) в США. Целью программы был поиск новых способов проектирования, асфальтобетонных покрытий, которые будут работать лучше при экстремальных температурах и интенсивных транспортных нагрузках [1].
После пяти лет интенсивных исследований и испытаний SHRP в 1992 году ввела систему Superpave. Затем Федеральная администрация автомобильных дорог (FHWA) взяла на себя ответственность за дальнейшую разработку и проверку спецификаций Superpave, процедур испытаний и инициировала национальную программу по поощрению введения Superpave.
В систему «Superpave» вошли 3 взаимосвязанные компонента, последовательно обновив нормативную базу AASHTO и ASTM:
– SHARP – технические условия и методы испытаний битума;
– Superpave – технические условия и метод проектирования составов асфальтобетонных смесей с определением поровых характеристик уплотненных образцов асфальтобетона;
– методы испытаний и система анализа реологических свойств асфальтобетона с использованием математических моделей работоспособности и компьютерного программного обеспечения.
Аббревиатура AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) переводится на русский язык как американская ассоциация служащих государственных автодорог и транспортировки. ASTM International (American Society for Testing and Materials) – американская международная организация, разрабатывающая и издающая добровольные стандарты для материалов, продуктов, систем и услуг [2].
Система Superpave в первую очередь касается двух проблем, связанных с дорожным покрытием: постоянная деформация, которая является следствием недостаточной прочности асфальтобетона на сдвиг при высоких температурах и низкотемпературных разрушений, которые образуется, когда асфальтобетонное покрытие сжимается, а растягивающее напряжение превышает прочность на растяжение [3].
Решение данных проблем осуществляется путем наиболее рационального подбора составляющих асфальтобетонной смеси, а именно:
- минеральных составляющих;
- полимер-битумного вяжущего;
- стабилизирующей добавки.
Определение зернового состава производят с использованием американских, квадратных сит, а при расчете и подборе, содержание всех составляющих асфальтобетонной смеси выражают в процентах от объёма. Такой способ позволяет учитывать плотность материалов, при их подборе.
Зерна щебня должны быть кубовидной формы и состоять из полностью дробленых зерен горных пород, при этом, при проектировании минеральной составляющей, готовят три различных зерновых состава таким образом, чтобы одна кривая приближалась к верхней границе требований к зерновому составу, другая к нижней границе, а третья находилась между этими кривыми [4], рис. 1.
Рис. 1. График кривых различного зернового состава
Довольно сложно подобрать комбинацию минеральной составляющей, удовлетворяющую таким требованиям, не используя узкие фракции.
Минеральный порошок должен быть произведен из карбонатных горных пород. Количество зерен в составе минерального порошка размером менее 0,075 мм должно находиться в диапазоне от 70 до 80 % по массе. Количество зерен размером не менее 0,30 мм должно быть не менее 90 % по массе, а зерен размером менее 1,18 мм не менее 100 % [4].
Битумное вяжущее подбирается таким образом, чтобы верхнее и нижнее значение марки соответствовало максимальному и минимальному показателю температуры эксплуатации асфальтобетонного покрытия в определенном месте строительства. Допускается применение вяжущего с добавлением модифицирующих добавок [5–7].
Так как система «Superpave» непосредственно ориентирована на температурные и транспортные условия работы покрытия, марку вяжущего подбирают исходя из расчетов эквивалентной одноосной нагрузки, которая составляет 80 кН и расчета температуры покрытия в летний и зимний период времени.
Расчетная летняя температура в покрытии на глубине 2,0 см от поверхности выражается формулой:
, (1)
где – летняя температура воздуха в тени,
– северная широта местности.
Расчетная зимняя температура в покрытии на глубине 2,0 см от поверхности выражается формулой:
, (2)
где – зимняя температура воздуха.
Значение температуры в летний и зимний период принимают из базы данных на ближайших метеостанциях, основываясь на ежедневной температуре воздуха не менее чем за 20 лет наблюдений [8].
Затем, учитывая количество эквивалентной одноосной нагрузки и характера движения транспорта в месте проведения работ, верхнее значение марки вяжущего следует увеличить с шагом 6 °С на количество шагов, указанных в таблице №1 [9].
Таблица 1
Подбор марки вяжущего
|
Приложения ЭООН1), млн |
Количество шагов для увеличения высокотемпературных свойств вяжущего |
||
|
Характер движения |
|||
|
Неподвижный2) |
Медленный3) |
Стандартный4) |
|
|
<0,3 |
f 5) |
- |
- |
|
От 0,3 до <3 |
2 |
1 |
- |
|
От 3 до <10 |
2 |
1 |
- |
|
От 10 до <30 |
2 |
1 |
f 5) |
|
≥30 |
2 |
1 |
1 |
1 – ЭООН – эквивалентная одноосная нагрузка, равная 80 кН, передаваемая на дорожное покрытие от одной оси транспортного средства. Рассчитывают на 20 лет срока службы автомобильной дороги; 2 – средняя скорость движения транспорта – меньше 20 км/ч.; 3 – Средняя скорость движения транспорта находится в диапазоне от 20 до 70 км/ч.; 4 – средняя скорость движения транспорта – более 70 км/ч.; 5 – увеличение марки вяжущего определяют по согласованию с заказчиком.
Основная концепция выбора битума, при проектировании состава асфальтобетона по технологии Superpave состоит в следующем:
- Смесь должна содержать достаточно много битума с учетом адсорбации его части открытыми порами на поверхности минеральных зерен, что бы все минеральные зерна были им покрыты;
- Битума должно быть достаточно для обеспечения долговечности покрытия при окислительном старении и увлажнении [10].
Оптимальное количество битума подбирают так, чтобы количество пор и пустот в уплотненной щебеночно-мастичной смеси соответствовало требованиям ПНСТ 127. Показатель воздушных пустот (Va), должен составлять –
4,0 ± 0,3 %. Для этого, на выбранном оптимальном зерновом составе готовят не менее трех вариантов смеси с различным содержанием вяжущего и определяя свойства каждой смеси, подбирают оптимальное количество вяжущего [11].
Уплотнение смеси производят при помощи гиратора. Использование такой установки позволяет быстро получить данные по приготовленной смеси.
Одна из особенностей системы «Superpave», состоит в том, что она ориентирована на фундаментальные, а не на эмперические, физико-механические характеристики вяжущего. В традиционных стандартах многие показатели свойств вяжущего (глубина проникания иглы, температура размягчения, растяжимость и другие) были эмпирическими величинами. Они могли быть успешно использованы только для определенного вяжущего в определенных условиях. Например, глубина проникания иглы в битум зависит от диаметра иглы, формы ее наконечника; температура размягчения по методу «кольцо и шар» зависит от диаметра кольца, на которое нанесена пленка битума, и от диаметра и массы шара. Фундаментальные же характеристики не должны зависеть от размеров или от конструкции прибора, на котором их определяют. Такими характеристиками являются, например, модуль сдвига, функция релаксации, плотность (масса единицы объема), «абсолютная» (динамическая) вязкость при нулевой скорости деформации [10–14].
В целом, проектирование по технологии Superpave, можно разделить на два этапа. На первом этапе подбираются минеральные компоненты смеси, вяжущее и минеральная добавка. При этом, выбранные материалы должны полностью соответствовать стандартам ПНСТ. Если все требования соблюдаются, на основе этих материалов осуществляют подбор трех вариантов смеси, с различным зерновым составом, рис. 2.
Рис. 2. Первый этап проектирования по технологии Superpave
Рис. 3. Второй этап проектирования по технологии Superpave
На втором этапе подбирают количество вяжущего и приготавливают смесь асфальтобетона на 3-х различных зерновых составах. Полученную смесь испытывают на соответствие ПНСТ и выбирают вариант, который удовлетворяет всем параметрам, рис. 3.
Если такого варианта нет, составляющие смеси пытаются корректировать, если и это не помогает, следует изменить исходные материалы и проделать весь подбор заново.
Таким образом, на основе данной системы возможно проектирование крупнозернистых, мелкозернистых и щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Внедрение иностранного опыта в строительстве дорог, может способствовать улучшению и повышению качества российских автомобильных дорог.
1. Radovskiy B.S. Design of asphalt mixes in the USA by the method of Superpave. Road machinery, 2007, no. 1, pp. 86–99.
2. Kiryhin G.N. Pros and cons of the design of asphalt concrete «Superpave». World of roads, 2014, no. 74, pp. 2–5.
3. Trautvain A.I., Yadykina V.V., Mulenko E.S. Study of the physical and mechanical properties of asphalt concrete samples on activated mineral powders of various compositions. Construction materials and products, 2018, vol. 1, no. 4, pp. 44–50.
4. PNST 129. Asphalt mixes, crushed stone-mastic. Introduced in 15.07.2016. M.: «ITZ», 2016, 12 p.
5. Traytvain A.I., Yakovlev E.A., Silko A.A. Interrelation of deformative stability of asphalt concrete pavements and basic properties of organic binding materials. News of higher educational institutions. Building, 2017, no. 9, pp. 50–59.
6. Yadykina V.V., Gridchin A.M., Traytvain A.N., Verbkin V.I. Study of the effect of various polymers and plasticizers on the properties of BND 60/90 bitumen and asphalt concrete based on it, Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2015, no. 6, pp. 40–45.
7. Traytvain A.I., Gridchin A.M., Verbkin V.I., Development of complex polymer binder for organic mixtures, allowing to reduce the formation of ruts on asphalt concrete pavement. High-Tech Technologies and Innovations of BGTU, 2014, pp. 112–116.
8. Vasilenko S.D. The design of the composition of asphalt mixes in the US by the method of superpave. Technical recommendations (extract). SPB., ZAO «Code», 2012, 25 p.
9. PNST 127. Mixes asphalt shchebeno-mastic. Introduced in 15.07.2016. M.: «ITZ», 2016, 7 p.
10. PNST 114. Asphalt road and asphalt concrete mixes. Introduced in 28.04.2016. M.: «TSMiS», 2016, 11 p.
11. Berilin A., Nikolskiy V., Krasotkina I. Experience using Superpave standards. Roads. M.: 2016, no. 3, pp. 73–80.
12. Radovskiy B.S. Superpave: Stone Material Requirements, Roads, 2014, no. 7, pp. 56–67.
13. Radovskiy B.S. The current state of development of the American method of designing asphalt concrete mixtures Superpave. Road machinery, 2008, pp. 12–22.
14. Belyaew N.N. American Superpave system: checking on Russian roads. Car roads, 2014, no. 6, pp. 62–64.
