В 1980–1990 х годах самыми популярными с США были метод Маршалла, использовавшийся в 38 штатах, и метод Хвима, применявшийся (иногда с некоторыми видоизменениями) в 10 штатах. Федеральное агентство авиации применяет для проектирования состава смесей для аэропортов исключительно метод Маршалла. Этот метод является самым распространенным в других странах. В частности, «СоюздорНИИ» по инициативе Н. В. Горелышева и Д. И. Гегелия в 1980 х сделал попытку ввести метод Маршалла как факультативный метод проектирования смеси в России, разработав для этого временный стандарт.
Жилой район Беверли Хиллз находится внутри
Лос-Анджелеса, но имеет статус самостоятельного города. На таких улицах в Беверли Хиллз типичная конструкция дорожной одежды включает асфальтобетонное покрытие 7,5–10 см; основание из высокопористой смеси щебня с цементным раствором толщиной 10 см и дополнительное основание толщиной 15–25 см из дробленого материала низкого качества
(в том числе допускается старый цементобетон или асфальтобетон).
За прошедшие годы выяснились многие недостатки методов Хвима и Маршалла. Сконцентрировав усилия на предотвращении колеи, Ф. Хвим, Б. Маршалл и их сотрудники оставили совершенно вне рассмотрения такие распространенные виды разрушения покрытий, как появление пересекающихся усталостных трещин и низкотемпературных трещин при быстром охлаждении, а также «отраженных» трещин основания, скопированных на асфальтобетонном покрытии. Практически не охватывают эти методы вопроса об устойчивости смеси к воздействию воды и мороза, что так актуально для России. Это можно понять: методы разрабатывались в 1930–1950 х годах, когда интенсивность движения была в десятки раз меньше, чем в настоящее время, и вопрос об усталости покрытия не стоял так остро, как сегодня. Первые исследования усталости асфальтобетона в Англии (Питер Пелл, Ноттингемский университет), США (Карл Монисмит, Калифорнийский университет в г. Беркли) и в России (А. О. Салль, Ленфилиал «СоюздорНИИ») начались одновременно в середине 1960 х.
По поводу же предотвращения низкотемпературных трещин и обеспечения устойчивости к воздействию воды и мороза можно напомнить, что г. Нью-Йорк находится примерно на широте г. Баку, а г. Лос-Анджелес – примерно на широте г. Кабула. Ясно, что эта проблема не была главной для Ф. Хвима и Б. Маршалла. Тем не менее, например, в штате Миннесота зимой почти так же холодно, как в Московской области, и в настоящее время исследованию этой группы проблем уделяется много внимания.
Никаких механических испытаний асфальтобетона при температуре, близкой к среднегодовой, когда на дорогу воздействует основная часть транспортного потока, описанные методы не предусматривают.
Но даже обстоятельно рассмотренный Ф. Хвимом и Б. Маршаллом вопрос о предотвращении колеи в жаркое время года был, по сегодняшним меркам, решен неудовлетворительно. Вот несколько примеров.
1. Как уже отмечалось, усилия специалистов из инженерного корпуса были направлены на разработку дешевого и портативного способа уплотнения, который бы воспроизводил плотность смеси, полученную при строительстве и последующем доуплотнении движением. Однако непонятно, какому именно моменту службы отвечает нормируемая пористость 3–5 % – вводу в эксплуатацию или середине срока службы.
2. Исследования показали, что структура смеси, уплотненной в покрытии, существенно отличается от таковой, получаемой в лаборатории, даже при одинаковых плотностях асфальтобетона. Многие инженеры сомневаются, что ударное уплотнение грузом с плоской подошвой правильно воспроизводит процесс уплотнения смеси в полевых условиях. Поэтому серьезные специалисты (например, проф. К. Монисмит) предпочитают уплотнять смесь в покрытии и отбирать из него образцы для испытаний.
3. В методах Хвима и Маршалла испытания образцов проводят только при одной температуре 60 °С. Хотя такая температура покрытия типична для летнего периода, в США имеются штаты с наибольшей летней температурой покрытия 58 °С, и есть штаты, где она достигает 70 °С. Температурные условия испытаний не дифференцированы для разных длительностей жаркого периода.
4. Показатель устойчивости по Маршаллу легче всего повысить, взяв битум большей вязкости. Можно добиться его повышения и за счет применения более угловатых частиц щебня, то есть увеличением доли дробленого каменного материала, что логично. Но можно пойти по другому пути – ввести небольшое количество мелких частиц пылеватой фракции, тогда устойчивость увеличится. Однако оказывается, что если эти частицы очень мелкие, то их добавление приводит к уменьшению устойчивости по Маршаллу. В комплексе анализировать влияние таких изменений в составе смеси на показатели устойчивости и пластичности весьма сложно.
5. При измерении показателя устойчивости по Маршаллу получается большой разброс. Фактически, технические условия ASTM D 1559 не содержат никаких указаний по требуемой точности определения этого показателя (что очень необычно для стандартов ASTM), хотя попытки собрать данные о разбросе в разных лабораториях неоднократно делались на протяжении многих лет. Получается, что показатель, изменяющийся при влиянии состава смеси, имеет большой разброс. Ясно, что продуктивно работать с таким показателем могут только опытные специалисты.
6. Нормативные значения устойчивости по Маршаллу трудно дифференцировать в зависимости от интенсивности движения. Представим себе, что надо подобрать смесь для покрытия при суммарном числе проездов расчетной нагрузки 20000. Тогда, согласно приведенной выше таблице, требуется обеспечить показатель устойчивости 5338 Н. Но представим себе отношение инженера к этому требованию: такой же показатель устойчивости требуется для 900000 проездов! Хотелось бы приблизиться к показателю 3336 Н, нормированному для интенсивности менее 10000, но интерполировать не разрешается, что можно понять в связи со значительным разбросом результатов измерений устойчивости.
7. Как показал накопленный опыт, применение битума, модифицированного полимером, способствует повышению устойчивости к образованию колеи. Однако при использовании методов Хвима и Маршалла положительный эффект от введения полимера просматривается далеко не однозначно. Например, в одном из проектов при модификации битума добавкой 1,5 % полимера Elvaloy получалось, что оптимальное содержание вяжущего увеличилось на 0,4 %, показатели стабильности и текучести слегка возросли, но так, что их отношение (жесткость) уменьшилось. В итоге, если ориентироваться только на результаты испытаний по Маршаллу, то применение полимерной добавки в данном случае нецелесообразно, что противоречит полевым испытаниям. Подобных примеров можно привести много.
8. Повышение или понижение показателя устойчивости асфальтобетона никак не сказывалось на проектной толщине асфальтобетонного покрытия или расположенного под ним основания, поскольку полученные механические характеристики не были связаны с расчетом дорожной одежды на прочность. Между тем, инженерный здравый смысл подсказывает, что глубина колеи непосредственно связана с толщиной асфальтобетонного покрытия. Кроме того, при не очень толстом покрытии колея в значительной степени обусловлена деформациями щебеночного основания, поведение которого зависит от жесткости покрытия, а при тонком покрытии – и накоплением остаточных деформаций переувлажненного грунта. Методы же Хвима и Маршалла рассматривают накопление остаточных деформаций как следствие только свойств асфальтобетона, без учета даже толщины слоя из этого материала.
В конце 1980 х стало ясно, что взамен чисто эмпирических методов Хвима и Маршалла необходимо разработать новый метод проектирования состава асфальтобетонной смеси на более фундаментальной научной основе. С этой целью с 1988 по 1993 год Федеральное правительство США профинансировало работы Стратегической дорожной исследовательской программы (Strategic Highway Research Program – SHRP), в которых приняли участие сотни исследователей из разных стран. Полученные результаты содержат три основных элемента: (1) новую систему классификации вяжущих; (2) требования к каменным материалам; (3) метод проектирования состава асфальтобетонной смеси. Для удобства эта система названа сокращенно Суперпейв (Superior Performing Asphalt Pavement System – Superpave). Система Суперпейв в настоящее время дорабатывается в сочетании с новым методом расчета дорожных одежд и одновременно внедряется в подавляющем большинстве штатов.
В данном обзоре были рассмотрены основные этапы развития инженерной мысли в области проектирования состава асфальтобетонных смесей в США вплоть до появления системы Суперпейв, которой целесообразно посвятить отдельную статью.
