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.

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.

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.

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.

СОДЕРЖАНИЕ

Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США

 -  Метод Хаббарда-Филда

 -  Метод Хвима

 -  Метод Маршалла

 -  О разработке метода Суперпейв

Автор: Радовский Б.С.

Ссылка: http://library.stroit.ru/articles/asfalt5/index.html