Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США по методу СУПЕРПЕЙВ

I. Изучение поведения асфальтобетонных покрытий

1.1. Усилия американских инженеров-дорожников направлены на предотвращение трех главных видов разрушений покрытий:

- остаточных деформаций в виде колеи, возникающих, главным образом летом (см. рис.1);

Рис.1. Колея на поверхности покрытия  

     
А - колея, обусловленная недостаточной толщиной дорожной одежды и непрочным земляным полотном или основанием дорожной одежды; под действием повторных нагрузок поверхность покрытия опустилась так же, как поверхность основания или земляного полотна.
Б - колея, обусловленная недостаточным сопротивлением асфальтобетона действиям повторных нагрузок в жаркое время года; под "полосой наката" покрытие опустилось, а в стороне от неё - поднялось.
1 - дорожная одежда; 2 - земляное полотно; 3 - первоначальная поверхность покрытия.

- пересекающихся "усталостных трещин" в покрытии, образующихся от действия повторных нагрузок, в основном, весной и осенью, когда земляное полотно сильно увлажнено (см. рис.2);

- "низкотемпературных" поперечных трещин, возникающих при сильном охлаждении покрытия (см. рис.2).

Рис.2. Усталостные и температурные трещины на дороге местного значения  

Пересекающиеся усталостные трещины по полосам наката на промежуточной стадии формирования сетки "крокодилова кожа", когда поперечные трещины уже связаны с продольными, но ещё не образуют замкнутых многоугольников; поперечные и низкотемпературные трещины пересекают всю или почти всю проезжую часть; трещины залиты горячим вязким битумом.

II. Методы проектирования состава асфальтобетона

Метод Хвима

2.1. В 1930-1950 годах в Калифорнии под руководством Ф.Хвима был разработан метод проектирования состава асфальтобетона. 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.

2.1.2. 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.

2.1.3. 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).

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/см. Удельную поверхность минерального материала рассчитывают как сумму произведений "проходов" через стандартные сита на соответствующие этим ситам коэффициенты удельной поверхности, предложенные Ф.Хвимом.

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).

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 м/кг. В то же время фактически измеренная удельная поверхность таких частиц, например для портландцемента, имеет порядок 100-1000 м/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.

     
Рис.3. Иллюстрация к понятию толщины пленки битума  

Асфальтобетонная смесь рассматривается, как совокупность частиц с битумными оболочками постоянной толщины TF без учета влияния уплотнения.

Как ясно из изложенного, Ф.Хвим, фактически рассматривали асфальтобетонную смесь как совокупность частиц с битумными оболочками, не соприкасающимися между собой, как если бы они висели в воздухе. 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.4.

     
Рис.4. Иллюстрация к понятию толщины пленки битума  

Частицы минерального материала, имеющие диаметр меньше толщины пленки, считаются частью вяжущего вещества. Чем выше степень уплотнения, тем толще пленка.

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, 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.

2.1.4. 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 "", измеряли манометром горизонтальное давление "". На аналогичном приборе Ф.Хвим испытывал грунты и несвязные дорожно-строительные материалы.

Говоря современными терминами, величину R = (1-/) Ф.Хвим назвал R-value (resistance value), то есть "показателем сопротивления". Очевидно, что величина R связана с известным в механике грунтов коэффициентом бокового давления = /(1-), где - 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.

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 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 году 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.

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

2.2. В 1940-1950 годах Б.Маршаллом был предложен другой метод, детально разработанный корпусом военных инженеров. В нем предусмотрено гораздо менее дорогое лабораторное оборудование для приготовления и испытания образцов смеси (портативные приборы), чем в методе Хвима (стационарное оборудование). Военные инженеры 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. 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. Основные этапы проектирования смеси по этому методу.

2.2.1. 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.

2.2.2. 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 -lg T, поэтому удается ограничиться измерениями при двух температурах и третьей - контрольной);