Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгородская область, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В данной статье рассмотрена технология проектирования асфальтобетонных покрытий, по методу Superpave. 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. 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. Решение данных проблем осуществляется путем наиболее рационального подбора составляющих асфальтобетонной смеси. В России данной технологией заинтересовались относительно недавно. В 2016 году были переведены и выпущены предварительные национальные стандарты, в которых описаны требования к материалам и по которым осуществляется проектирование и подбор смеси. В статье проведен обзор технической документации с целью разработки методологии подбора асфальтобетонной смеси. В ходе исследований рассмотрены технологические особенности подбора и проектирования асфальтобетонной смеси по данной методике, составлена блок схема подбора состава асфальтобетона. 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.
Superpave, проектирование, асфальтобетонные покрытия, методы испытаний
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. Радовский Б.С. Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США по методу Суперпейв // Дорожная техника. 2007. № 1. С. 86–99.
2. Кирюхин Г.Н. Плюсы и минусы системы проектирования асфальтобетона «суперпэйв» // Мир дорог. 2014. № 74. С. 2–5.
3. Траутваин А.И., Ядыкина В.В., Муленко Е.С. Изучение физико-механических свойств асфальтобетонных образцов на активированных минеральных порошках различных составов // Строительные материалы и изделия. 2018. Том 1. №4. С. 44–50.
4. ПНСТ 129. Смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные. Введ. 15.07.2016. М.: ООО «ИТЦ». 2016. 12 с.
5. Траутваин А.И., Яковлев Е.А., Силко А.А. Взаимосвязь деформативной устойчивости асфальтобетонных покрытий и основных свойств органических вяжущих материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2017. № 9 (705). С. 50–59.
6. Ядыкина В.В., Гридчин А.М., Траутваин А.И., Вербкин В.И. Исследование влияния различных полимеров и пластификаторов на свойства битума БНД 60/90 и асфальтобетона на его основе // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 40–45.
7. Траутваин А.И., Гридчин А.М., Вербкин В.И. Разработка комплексного полимерного вяжущего для органоминеральных смесей, позволяющего снизить образование колеи на асфальтобетонном покрытии // Наукоемкие технологии и инновации БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. С. 112–116.
8. Василенко С.Д. Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США по методу суперпейв. Технические рекомендации (извлечение). СПБ., ЗАО «Кодекс», 2012. 25 с.
9. ПНСТ 127. Смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные. Введ. 15.07.2016. М.: ООО «ИТЦ». 2016. 7 с.
10. ПНСТ114. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Введ. 28.04.2016. М.: ООО «ЦМИиС». 2016. 11 с.
11. Берилин А., Никольский В., Красоткина И. Опыт применения стандартов Superpave // Дороги М.: 2016. №3. С. 73–80.
12. Радовский Б.С. Суперпейв: требования к каменному материалу // Автомобильные дороги. 2014. № 7. С. 56–67.
13. Радовский Б.С. Современное состояние разработки американского метода проектирования асфальтобетонных смесей суперпейв // Дорожная техника. 2008. С. 12–22.
14. Беляев Н.Н. Американская система Superpave: проверка на российских дорогах // Автомобильные дороги. 2014. № 6. С. 62–64.
