ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА ПОДБОРА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ПО МЕТОДУ "СУПЕРПЭЙВ"

Суперпэйв – это помощь дорожникам, которые изготавливают и укладывают смеси на конкретных участках дороги, характеризующихся определенными параметрами нагрузки и расположенных в определенных климатических условиях. Другими словами – это системный подход, позволяющий на основе результатов механических испытаний битума и асфальтобетонной смеси по методикам, имитирующим реальные условия работы дорожного покрытия, оптимизировать состав смеси, в том числе по виду и содержанию вяжущего.

Процесс проектирования асфальтобетонной смеси включает в себя следующие этапы [1]. Выбирают битумное вяжущее, эксплуатационная марка которого (PG) должна соответствовать природным условиям местности в отношении расчетных летней и зимней температуры и условиям движения.

Далее выбирают каменные материалы и составляют из них смесь. Эти материалы должны отвечать определенным требованиям (угловатость крупных и мелких зерен) и свойствам породы (износостойкость, морозостойкость, содержание вредных примесей). Выбирают комбинацию нескольких составляющих каменного материала, например, три фракции щебня, песка и минерального порошка, так, чтобы кривая зернового состава минерального материала не выходила за пределы контрольных точек. Таких вариантов (trial blend) в «Суперпейве» принято выбирать не менее трех. Для каждого из вариантов состава намечают предварительную рабочую формулу смеси (Job Mix Formula). В ней указывают предварительное содержание битума, которое задают на основе имеющегося опыта.

Кроме кривой зернового состава данного варианта, приводят контрольные точки, соединенные отрезками прямых, а также те пределы, в которых допускается отклонение зернового состава (tolerance) производственной смеси от намеченного лабораторного состава.

Намечая варианты зернового состава, учитывают, что соотношение содержаний минерального порошка и вяжущего по весу – так называемое dust-to-binder ratio (пыле-битумное отношение) должно, по требованиям «Суперпейва» (AASHTOM 323), лежать пределах 0,6–1,2, а для очень мелкозернистых смесей с номинальной крупностью 4,75 мм – в пределах 0,9–2,0.

Наметив рабочие формулы трех-четырех вариантов смеси, включая ориентировочное содержание вяжущего, готовят цилиндрические образцы диаметром 150 мм и высотой около 115 мм. Их уплотняют на гираторном приборе. Затем анализируют структуру уплотненной смеси в терминах объемных долей, приходящихся на вяжущее, каменный материал и воздушные поры.

На основе анализа структуры вариантов смеси выбирают один вариант зернового состава, для которого формуют образцы с разным содержанием битума (обычно – при четырех содержаниях битума), и приходят к выводу об оптимальном его содержании. В результате приходят к искомой рабочей формуле смеси. Далее проверяют водостойкость и морозостойкость смеси по стандарту AASHTO T 283. Для этого испытывают на раскол цилиндры, подвергнутые водонасыщению и замораживанию. Образцы должны иметь прочность на растяжение при расколе не ниже 0,70 от первоначальной. Этот метод считается не очень совершенным и сейчас дорабатывается.

Затем определяют механические характеристики запроектированной смеси при кратковременной нагрузке по стандарту AASHTO TP 79-09 с целью оценки поведения асфальтобетона в покрытии.

В лаборатории стремятся уплотнить образец смеси в условиях, как можно ближе воспроизводящих плотность, получаемую в покрытии. Поэтому используемый в «Суперпейве» прибор гираторного (вращательного) уплотнения является ключевым в методике проектирования состава смеси.

При разработке всех методов проектирования состава асфальтобетонной смеси важнейшим являлся вопрос получения образцов, воспроизводящих плотность и прочность (например, на растяжение при расколе), получаемую для материала в покрытии после его укатки, а затем – после доуплотнения под действием транспортных средств.

Метод Хвима вначале предусматривал ударное уплотнение, а впоследствии – штыкование. В методе Маршалла образец уплотняли на механическом компакторе повторными ударами цилиндрического груза с плоской подошвой, причем число ударов выбирали в зависимости от глубины расположения слоя в дорожной одежде и от категории движения. Во время исследований по созданию «Суперпейва» были рассмотрены пять способов уплотнения: ударный, штыкование, гираторный (уплотнение сдвигом при вращении), комбинация штыкования с вибрацией и уплотнение плиты укаткой с последующим высверливанием образца.

Образцы сравнивали с уплотненными в дорожном покрытии, сопоставляя пористостm, прочностm на растяжение, предельные относительные деформации при растяжении, модули упругости при сжатии и растяжении, деформации при ползучести. По совокупности всех критериев, включая трудоемкость и разброс повторных испытаний, был выбран метод гираторного уплотнения. Прибор гираторного уплотнения поставляют вместе с печью для определения содержания битума выжиганием (по весьма совершенной методике). Вместе с гираторным прибором поставляется калибровочное устройство и программное обеспечение.

По мнению американских ученых,  внедрение  метода «Суперпэйв» в дорожных департаментах США привело к следующим положительным результатам:

-приведена к единообразию документация по проектированию составов и контролю качества асфальтобетона на национальном уровне;

-повысилось качество применяемых дорожных битумов;

-увеличилась доля применения полимерно-битумных вяжущих различных марок в соответствии с климатическими условиями регионов;

-минеральная часть асфальтобетонных смесей стала в большей степени ориентирована на применение дробленых каменных материалов с угловатой формой зерен;

- большее внимание стали уделять зерновым составам минеральной части асфальтобетонных смесей;

- каркасные смеси на основе крупных фракций щебня (номинальный размер зерен, определяемый рассевом на ситах с отверстиями квадратной формы, должен быть 9,5 мм, 12,5 мм, 19 мм, 25 мм или 37,5 мм) стали чаще применяться в конструктивных слоях дорожных покрытий;

-с внедрением экономического стимулирования повысилась значимость контроля качества строительства при приемке асфальтобетонных покрытий.

Анализируя отечественную нормативную базу в части дорожного строительства можно заключить, что многие вышеперечисленные аспекты реализованы и в действующих ГОСТ РФ.

Так, составы асфальтобетонов в Российских документах все нормированы, а система их контроля единообразна, качество битума не всегда оптимальное, но на этот счет активно ведутся научные работы по его улучшению (наконец во многом качество битума зависит и от качества исходного сырья тоже), ПБВ применяет все Россия, а каркасные асфальтобетоны давно реализованы во многих регионах России в виде щебеночно-мастичных асфальтобетонов.

Также следует отметить, что основная цель трехуровневой системы Суперпэйв, а именно: прогнозирование колееобразования, усталостного и низкотемпературного трещинообразования в асфальтобетонных покрытиях, на сегодняшний день, американскими дорожниками и учеными не достигнута, поскольку не нашла она приемлемого экспериментального подтверждения, и нуждается в дальнейшем совершенствовании подходов к ее практической реализации. Тем не менее, отдельного  внимания заслуживает раздел Суперпэйв, посвященный нормированию и подходу к выбору того или иного битумного вяжущего для конкретных условий (по признаниям американских коллег, наиболее проработанный). Суть его в том, что марка битумного вяжущего определяется интервалом работоспособности (PG Grade) между двумя температурами испытания, соответствующими минимальной и максимальной расчетным температурам асфальтобетонного покрытия в рассматриваемом регионе строительства.  В этом реализуется гибкий практический подход, позволяющий в действительности спрогнозировать "поведение" битумной пленки в структуре асфальтобетона. Но чтобы данный подход реализовать (впрочем, как и все другие в Сеперпэйв), необходимо укомплектовать лаборатории дорогим оборудованием, подготовить высококвалифицированных лаборантов, гармонизировать все наши нормы. И это касается всех направлений Суперпэйв.

Для взятия на вооружение этой системы необходимо ее критическое осмысление, которое уже идет, и результаты гармонизации отечественных стандартов  отражают изменения в виде новых подходов к оценке качества дорожно-строительных материалов. Так, метод RTFOT, отражает иной подход к подбору битума в асфальтобетонных смесях. Внесены изменения и рекомендаций в части необходимости применения устройств для контроля колееобразования и износостойкости асфальтобетона (метод Пралль-тест) и качества заполнителей (метод Микро-Дюваль).

Список литературы:

1. Радовский Б.С. "Суперпейв": проектирование состава смеси//Автомобильные дороги. – 2014. – № 9 (994). – С. 34-39.