Спецификация битумного вяжущего Superpave

Спецификация (AASHTO MP1-93) на битумное вяжущее Superpave приводится в таблице 2-9. Физические свойства, включенные в спецификацию, определяются испытательным оборудованием, описанным выше. Как упоминалось ранее, физические свойства остаются постоянными для всех эксплуатационных сортов (PG), но температура при которой этих свойства должны проявляться, меняется от сорта к сорту, в зависимости от климатических условиях, в которых предполагается эксплуатировать асфальтобетонное покрытие (рисунок 2-49). Например, сорт PG 64-28 предназначается для использования в условиях, при которых средний семидневный максимум температуры дорожного покрытия составляет 64°C, а минимальное значение расчетной температуры -28°C.

Эксплуатационный сорт	PG 52							PG 58
	-10	-16	-22	-28	-34	-40	-46	-16	-22	-28
Средний семидневный максимум для расчетной температуры дорожного покрытия, С	<52							<58
Минимальная расчетная температура дорожного покрытия, С	>-10	>-16	>-22	>-28	>-34	>-40	>-46	>-16	>-22	>-28
	Исходное вяжущее
Температура вспышки, Т48: минимум, С	230
Вязкость, ASTM D4402: b Максимум, 3 Па секунда (3000 сР) Температура испытания, С	135
Динамический сдвиг, ТР5: с G*/sinδ, минимум, 1,00 кПа Температура испытания при 10 рад/сек, С	52							58

Изменение температуры испытания

Условия спецификации, которые остаются постоянными

 

Рисунок 2-49 Образец спецификации вяжущего Superpave

Таблица 2-9. Спецификация для битумных  вяжущих, классифицированных по эксплуатационным характеристикам

Эксплуатационный сорт	PG 46					PG 52																PG 58											PG 64
	-34		-40		-46	-10			-16		-22		-28		-34			-40			-46	-16			-22		-28		-34			-40	-10				-16			-22			-28			-34		-40
Средний семидневный максимум для расчетной температуры дорожного покрытия, Са	<46					<52																<58											<64
Минимальная расчетная температура дорожного покрытия, Са	>-34	>-40		>-46		>-10		>-16		>22		>-28		>-34		>-40			>-46			>-16		>-22		>-28		>-34		>-40			>-10		>-16			>-22			>-28			>-34			>-40
Исходное вяжущее
Температура вспышки, Т48: минимум, С	230
Вязкость, ASTM D4402: b Максимум, 3 Па секунда (3000 сР) Температура испытания, С	135
Динамический сдвиг, ТР5: с G*/sinδ, мин., 1,00 кПа Темп. испыт. при 10 рад/сек, С	46						52																58											64
Остаток печи прокатки тонких пленок (Т240) или печи тонких пленок (Т 179)
Потери в массе, максимум %	1,00
Динамический сдвиг, ТР5 G*sinδ, максимум 2,20 кПа Температура испыт. при 60 сек., С	46						52																58											64
Остаток, после старения в сосуде высокого давления (РР1)
Температура старения PAV, Сd	90						90																100											100
Динамический сдвиг, ТР5: G*sinδ, максимум 5000 кПа Температура испыт. при 60 сек., С	10	7		4			25	22		19		16		13			10			7			25	22		19		16			13			31		28			25			22			19			16
Физическое твердениее	Отчет

Жесткость при ползучести, ТР 1:f S, максимум, 300 МПа m-значение, минимум 0,300 темп. испыт. при 60 сек., С	-24	-30	-36	0	-6	-12	-18	-24	-30	-36	-6	-12	-18	-24	-30	0	-6	-12	-18	-24	-30
Натяжение, ТР3:f Деформация разрушения, минимум 1,0% Температура испытания при 1 мм/мин, °С	-24	-30	-36	0	-6	-12	-18	-24	-30	-36	-6	-12	-18	-24	-30	0	-6	-12	-18	-24	-30

Таблица 2-9. Спецификация для битумных  вяжущих, классифицированных по эксплуатационным характеристикам (продолжение)

Эксплуатационный сорт	PG 70						PG 76							PG 82
	-10	-16	-22	-28	-34	-40	-10		-16	-22	-28	-34		-10		-16	-22	-28	-34
Средний семидневный максимум для расчетной температуры дорожного покрытия, С	<70						<76							<82
Минимальная расчетная температура дорожного покрытия, С	>-10	>-16	>-22	>-28	>-34	>-40	>-10		>-16	>-22	>-28	>-34		>-10		>-16	>-22	>-28	>-34
Исходное вяжущее
Температура вспышки, Т48: минимум, С	230
Вязкость, ASTM D4402: b Максимум, 3 Па секунда (3000 сР) Температура испытания, С	135
Динамический сдвиг, ТР5: с G*/sinδ, минимум, 1,00 кПа Темп. испыт. при 10 рад/сек, С	70						76						82
Остаток печи прокатки тонких пленок (Т240) или печи тонких пленок (Т 179)
Потери в массе, максимум %	1,00
Динамический сдвиг, ТР5 G*sinδ, максимум 2,20 кПа Температура испыт. при 60 сек., С	70						76						82
Остаток, после старения в сосуде высокого давления (РР1)
Температура старения PAV, Сd	100 (110)						100 (110)							100 (110)
Динамический сдвиг, ТР5: G*sinδ, максимум 5000 кПа Температура испыт. при 60 сек., С	34	31	28	25	22	19	37		34	31	28	22		40		37	34	31	28
Физическое твердениее	Отчет
Жесткость при ползучести, ТР 1:f S, максимум, 300 МПа m-значение, минимум 0,300 темп. испыт. при 60 сек., С	0	-6	-12	-18	-24	-30		0	-6	-12	-18	-24			0	-6	-12	-18	-24
Натяжение, ТР3:f Деформация разрушения, минимум 1,0% Температура испытания при 1 мм/мин, °С	0	-6	-12	-18	-24	-30		0	-6	-12	-18	-24			0	-6	-12	-18	-24

Таблица 2-9. Спецификация для битумных  вяжущих классифицированных по эксплуатационным характеристикам

Примечания:

а. Температурные значения для дорожного покрытия рассчитываются исходя из значений температуры окружающего воздуха при помощи алгоритма вспомогательной программы программного обеспечения Superpave ™. Значения могут быть также предоставлены проектными агентствами, или определены по методикам, описанным в РРХ.

b. Это условие может быть снято по усмотрению проектных агентств в том случае, если поставщик гарантирует, что битумное вяжущее удовлетворительно перекачивается насосом и смешиваться при температурах, которые отвечают всем действующим нормам по технике безопасности.

c. Для контроля качества не модифицированных битумных  вяжущих, измерение вязкости исходного битумного вяжущего может быть заменено измерением динамического сдвига G*/sin δ при такой температуре испытания, при которой битум принимает свойства ньютоновской жидкости. Можно использовать любой прибор, подходящий для измерения вязкости, включая капиллярный и ротационный вискозиметр (AASHTO T 201 или Т 202)

d. Температура старения в PAV выбирается с учетом смоделированных климатических условий и представляет собой одно из трех значений: 90°C, 100°C или 110°C. Температура старения в PAV для PG 64 составляет 100°C и выше, за исключением условий сухого климата, где она будет равняться 110°C.

е. Физическое твердение, в соответствие с разделом 13.1 ТР1, осуществляется с использованием набора битумных балок, исключение составляет только время выдержки, которое удлиняется до 24 часов±10 минут при минимальной рабочей температуры выше 10°C. Показатель жесткости и значении m за 24 часа приводятся только для информации.

f. Если жесткость при сдвигоустойчивости ниже 300 МПа, то проводить испытание на растяжение не требуется. Если значение жесткости при ползучести 300 и 600 МПа, то условие деформации разрушения при натяжении можно заменить условием жесткости при сдвигоустойчивости. Условие значения m должно быть достаточным в обоих случаях. Спецификация для битумных  вяжущих, классифицированных по эксплуатационным характеристикам, по AASHTO (МР1)

Поскольку спецификация битумных вяжущих Superpave должна строится на основании эксплуатационных характеристик, то в ней учитываются три главных рабочих параметра дорожных покрытий из HMA: остаточная деформация (колееобразование), усталостное растрескивание и низкотемпературное (термическое) растрескивание. Кроме того, спецификация учитывает требования безопасности, способность к перекачиванию насосом и обработке, а также избыточное старение битумных вяжущих. Обсуждение параметров, учтенных в спецификации для вяжущих Superpave, проводиться далее.

Остаточная деформация (колееобразование). В спецификации для вяжущих Superpave используется коэффициент колееобразования, G*/sin δ, который является критерием жесткости битумного вяжущего или устойчивости к колееобразованию при высоких рабочих температурах дорожного покрытия. Значимость этого коэффициента обсуждалась в разделе, посвященном реометру динамического сдвига. Как показано на рисунке 2-50, коэффициент колееобразования должен быть, по крайней мере 1,00 кПа для исходного битумного вяжущего и как минимум 2,20 кПа для битумного  вяжущего, состаренного в печи прокатки тонких пленок для испытаний реометром динамического сдвига при максимальной расчетной температуре дорожного покрытия.

Эксплуатационный сорт

Средний семидневный максимум для расчетной температуры дорожного покрытия, С

Минимальное значение расчетной температуры дорожного покрытия

Температура вспышки, Т48: минимум, С

Вязкость, ASTM D4402: b Максимум 3 Па секунда(3000 сР) Температура испытания, С

Динамический сдвиг, ТР5: с Условия спецификации для контроля колееобразования G */ sin δ, минимум 1,00 кПа Температура испытания при 10 рад/сек., С

Печь прокатки тонких пленок (Т240)

Потери в массе, максимум %

Динамический сдвиг, ТР5: с G */ sin δ, минимум 2,20 кПа Температура испытания при 10 рад/сек., С

Рисунок 2-50. Требования спецификации Superpave по коэффициенту колееобразования (56)

Усталостное растрескивание. В спецификации используется коэффициент усталости G*sinδ, который представляет собой соотношение устойчивости битумного вяжущего к усталостному растрескиванию. Как показано на рисунке 2-51, спецификация включает верхний предел G*sinδ 5000 кПа для битумного вяжущего, подвергшегося старению в печи прокатки тонких пленок и сосуде высокого давления и испытанного при промежуточной рабочей температуре дорожного покрытия. Например, промежуточная рабочая температура для сорта PG 64-28 составляет 22°C.

Температура старения в сосуде высокого давления, С

Динамический сдвиг, ТР5: с G * sin δ, максимум 5000 кПа Условие спецификации для контроля усталостного растрескивания Температура испытания при 10 рад/сек., С

Физическое твердение е

Жесткость при ползучести, ТР1: f S, максимум, 300 МПа Значение m, минимум 0,300 Температура испытания при 60 сек., С

Натяжение:, ТР3: f Деформация разрушения, минимум 1,0% Температура испытания при 1 мм/мин., С

Рисунок 2-51. Требования спецификации Superpave по коэффициенту усталостного растрескивания (56)

Низкотемпературное растрескивание. На рисунке 2-52 приводятся условия спецификации, определяющие устойчивость к низкотемпературному растрескиванию. Если для испытания битумного вяжущего, состаренного по методу RFTO или PAV, используется реометр BBR, при самой низкой расчетной температуре дорожного покрытия, то показатель жесткости при сдвигоустойчивости  (S) не должен превышать 300 МПа, а значение m должно быть по крайней мере 0,300. Однако, если показатель жесткости при сдвигоустойчивости превышает 300 МПа, но ниже 600 МПа, то битумное вяжущее считается приемлемым, если деформация разрушения не более 1,0% при испытании измерителем натяжения. Значение m должно быть достаточным в обоих случаях. Если показатель жесткости при сдвигоустойчивости  менее 300 МПа, то использовать измеритель натяжения нет необходимости.

 

 

Температура старения в сосуде высокого давления, С

Динамический сдвиг, ТР5: с G*sin δ, максимум 5000 кПа Условие спецификации для контроля низкотемпературного растрескивания Температура испытания при 10 рад/сек., С

Физическое твердение е

Жесткость при ползучести, ТР1: f S, максимум, 300 МПа Значение m, минимум 0,300 Температура испытания при 60 сек., С

Натяжение:, ТР3: f Деформация разрушения, минимум 1,0% Температура испытания при 1 мм/мин., С

Рисунок 2-52. Требования спецификации Superpave низкотемпературному растрескивания (56)

Другие общепринятые критерии спецификации. Согласно спецификации для вяжущих Superpave минимальное значение температуры вспышки для всех сортов PG должно быть 230°C, чтобы обеспечить соответствие требованиям безопасности. Для определения температуры вспышки несостаренных битумных вяжущих используется «Стандартная методика испытаний в открытом тигле Кливленда для определения температуры вспышки и воспламенения» по AASHTO T-48.

Чтобы гарантировать перекачивание насосом и обработку битумных  вяжущих (в частности модифицированных битумов) в установке для HMA в спецификацию так же включают значение максимальной вязкости 3 Па/сек. при 135°C для исходных вяжущих,.

Максимальная потеря в массе 1,00 % применима к RFTO остаткам от всех PG сортов вяжущих. Это условие гарантирует, что во время изготовления и укладки HMA не будет избыточного старения (улетучивание) битумного вяжущего.

Выбор сортов вяжущих Superpave. Сорта вяжущих Superpave, классифицированных по эксплуатационным характеристикам, отбираются на основании преобладающих климатических условий на месте строительства. В таблице 2-10 приводятся сорта вяжущих материалов, присутствующих в спецификации. Сорта PG 76 и 82 предназначаются только для замедленной преходящей или статической нагрузки (создаваемой на перекрестках), или избыточной транспортной нагрузки, что обсуждалось ранее.

Таблица 2-10. Сорта битумного вяжущего Superpave на основани эксплуатационных характеристик

Высокотемпературные сорта (°C)	Низкотемпературные сорта (°C)
PG 46 PG 52 PG 58 PG 64 PG 70 PG 76 PG 82	-34, -40, -46 -10, -16, -22, -28, -34, -40, -46 -16, -22, -28, -34, -40 -10, -16, -22, -28, -34, -40 -10, -16, -22, -28, -34, -40 -10, -16, -22, -28, -34 -10, -16, -22, -28, -34

Выбор подходящего сорта PG для специальных проектов облегчается благодаря программному обеспечению Superpave, которое предлагает три разных методики:

1. По географическому принципу: Проектировщик вводит данные о местоположении проекта (штат, местность).

2. По температуре дорожного покрытия: Проектировщик должен знать расчетные температуры дорожного покрытия.

3. По температуре окружающего воздуха: проектировщик определяет температуру окружающего воздуха, которая при помощи программы Superpave преобразуется в расчетную температуру дорожного покрытия.

Программа Superpave содержит базу данных с метеорологическими сводками от 7500 метеостанций США и Канады. Чтобы вычислить усредненный температурный максимум для расчетного параметра высокой температуры на метеостанциях определяли наибольшую температуру за семидневный период для каждого года. В течение всего периода работы (метеостанции, работающие менее 20 лет, в расчет не принимались) на метеостанции определяли среднее и стандартное отклонение от семидневного усредненного максимума температуры окружающего воздуха. Сходным образом определялись значения однодневной минимальной температуры воздуха для каждого года, а также среднее и стандартное отклонение от среднего однодневного минимума температур.

Поскольку расчетные температуры при выборе PG сорта определяются исходя из значений температуры дорожного покрытия, а не температуры воздуха, то программа Superpave преобразовывает температуру воздуха в температуру дорожного покрытия при помощи теоретического анализа реальных условий, выполненного на моделях (67). В настоящее время (1996 год) по критерию Superpave минимальная температура дорожного покрытия равна минимальной температуре окружающего воздуха. Такое соотношение вероятнее всего изменится с появление в будущем эксплуатационных данных. Считается, что минимальная температура дорожного покрытия выше (теплее) минимальной температуры окружающего воздуха.

Программа Superpave позволяет проектировщику оперировать разными степенями достоверности в отношении расчетных температур дорожного покрытия. Достоверность определяется как годичный коэффициент вероятности того, что истинная температура (однодневный или семидневный усредненный максимум) не будет превышать соответствующее расчетное значение. В качестве примера, на рисунке 2-53 рассматривается Топека, штат Канзас (56). Усредненный семидневный максимум температуры окружающего воздуха составляет 36°C, а стандартное отклонение равно 2%.

Рисунок 2-53. Распределение высоких и низких расчетных температур окружающего воздуха для Топеки, штат Канзас (56)

В соответствии с плотностью распределения вероятностей в обычном году существует 50% вероятность того, что семидневный максимум температур окружающего воздуха превысит 36°C. Однако, вероятность того что температура превысит 40°C составляет лишь 2%. Другими словами, высокая расчетное значение температуры в 40°C обеспечивает 98 процентную достоверность. Подобным образом определяется и средний однодневный максимум низких температур, который составляет -23°C со стандартным отклонением в 4°C, а это значит, что в холодный зимний период минимальная температура воздуха может достигать -31°C с вероятностью 98%.

Высокие и низкие температуры воздуха в Топеке, штат Канзас, преобразуются программой Superpave в температуры дорожного покрытия так, как показано на рисунке 2-54. В этом примере, высокая температура дорожного покрытия рассчитывается на уровне 20 мм ниже поверхности дорожного покрытия, а низкая температура рассчитывается на поверхности слоя износа дорожного покрытия. На рисунке 2-55 показано, как отбираются сорта PG при 50 и 98% минимальном уровне достоверности. Чтобы обеспечить минимальную достоверность 50% для высокой температуры следует выбрать сорт PG58. Поскольку сорта PG 56 не существует, то для того, чтобы обеспечить 85 %, а не 50% достоверность его следует «округлить» до PG58. С другой стороны, чтобы обеспечить 50% достоверности при низкой температуре нужно выбрать сорт приемлемый для - 28°C, а это даст достоверность 90%, а не 50%. Чтобы обеспечить 98%достоверности необходимо выбирать сорт PG 64 при высокой температуре и сорт PG-34 для низкой температуры, что приведет к отбору сорта PG64-34.

Рисунок 2-54. Распределение высоких и низких расчетных температур для Топеки, штат Канзас (56)

Рисунок 2-53. Достоверность для Топеки, штат Канзас (56)

Описанный выше процесс отбора вяжущего материала с учетом только климатических условий предполагает, что дорожные покрытия из HMA будут подвергаться воздействию скоростного транспортного потока. Испытания реометром динамического сдвига для определения коэффициента колееобразования G*/sin δ проводится со скоростью нагрузки 10 радиан/с, что соответствует скорости транспортного потока 90 км/ч. Однако, на некоторых участках, на перекрестках и у придорожных магазинов, дорожные покрытия из HMA испытывали более медленную скорость нагрузки. Есть также участки с автобусными остановками, где дорожное покрытие испытывает статическую нагрузку. Чтобы минимизировать колееобразование, в случаях с медленной скоростью нагрузки, битумное вяжущее должно обладать высокой жесткостью. В таких ситуациях для медленной преходящей нагрузки высокотемпературный сорт должен быть увеличен на один порядок, а для статической нагрузки - на два порядка. Например, если на основании данных по климатическим условиям, для скоростной транспортной магистрали был выбран сорт PG 64-22, то сорт PG 70-22 следует использовать в условиях медленной преходящей нагрузки, а сорт PG 76-22 – в условиях статической нагрузки. Скорость нагрузки не влияет на выбранный низкотемпературный сорт. Поскольку самая высокая возможная температура дорожного покрытия в Соединенных Штатах достигает 70°C, то для того, чтобы адаптировать покрытие к замедленной транспортной нагрузке необходимо добавить два высокотемпературных сорта, PG 76 и PG 82 (56).

Многие дорожные агентства разных штатов в настоящее время (1996) планируют утвердить систему битумных асфальтовых вяжущих Superpave к началу 1997 года.

ХИМИЯ БИТУМА

Значимость химического состава битума, хотя и не исследована до конца, может оспариваться. Эксплуатационные характеристики битума в качестве вяжущего в дорожных покрытиях из HMA определяется его физическими свойствами (рассматривались ранее в этой главе), которые в свою очередь непосредственно обуславливаются химическим составом. Осмысление химических факторов, влияющих на физические свойства, представляется важным для понимания особенностей, которые обуславливают эксплуатационные характеристики. Сведения для данного раздела, посвященного химии битума, были взяты в основном из трудов Петерсена (68) и Холстеда (69). Мы старались избегать подробного рассмотрения сложных химических явлений и по возможности сократить количество терминов, малознакомых инженерам-строителям.

Источник битума

Битум получают из сырой нефти, которая первоначально формируется в природных условиях из растений. Процесс превращения растений в сырую нефть занимает более миллиона лет и происходи в условиях меняющейся температуры и давления. Несмотря на то, что нефть в основе своей это углеводороды (химические соединения углерода и водорода), их количество и свойства варьирует от одного сорта нефти к другому. Поскольку битумное вяжущее получают посредством перегонки нефти, его химический состав и свойства тоже варьирую от источника к источнику.