Форма частиц и текстура поверхности

Частицы заполнителя, пригодные для использования в АГС, должны быть скорее кубическими, чем плоскими, тонкими или вытянутыми. В компактных смесях частицы кубовидной формы имеют большее сцепление и внутреннее трение, а в результате имеют большую механическую устойчивость, чем окатанные частицы. С другой стороны, смесь, содержащая окатанные (круглые)частицы, такие как природные гравий и песок, имеет лучшую работоспособность, и требуют меньшего сжатия для получения требуемой плотности. Эта легкость сжатия не является необходимым преимуществом, однако, поскольку смеси, которые легко сжимаются при строительстве могут продолжать уплотнение под действием движения транспорта, что, в конечном счете, ведет к образованию колеи из-за низкой пористости и низкой сдвигоустойчивости смеси.

Текстура поверхности, подобно форме частиц, также влияет на работоспособность и прочность АГС. Грубую текстуру поверхности, подобно наждачной бумаге, имеют большинство дробленых камней, имеющих склонность к увеличению прочности и требующих дополнительного количества вяжущего, чтобы перекрыть недостаток работоспособности, в сравнении с гладкими поверхностями, которые обнаруживаются у многих речных гравиев и песков. Поры в компактном образце грубо текстурированного заполнителя также обычно больше, что предоставляет дополнительное пространство для вяжущего. Заполнители с гладкой текстурой легче покрыть пленкой битума, но битумное вяжущее обычно образует сильные механические связи с грубо текстурированными заполнителями.

Совместное влияние формы частиц и текстуры поверхности заполнителя можно определить с помощью определения индекса частиц по ASTM D3398. Оборудование, требуемое для проведения этого испытания очень простое, и состоит в основном из стальной цилиндрической формы 6 дюймов (152 мм) в диаметре (диаметр колеблется от 2 дюймов (51 мм) для частиц, проходящих через сито № 50 до 8 дюймов (203 мм) для частиц больших 1 дюйма (25 мм) при высоте в 7 дюймов (178 мм), и стального стержня диаметром 5/8 дюйма (16 мм) при длине в 24 дюйма (610 мм) (трамбующий конец закруглен до полусферы). Вес трамбовочного стержня от 34 г для самой мелкой фракции до 2204 г для самой крупной фракции. По методике требуется использовать чистый, промытый и высушенный заполнитель фракции одного размера. Форма должна быть заполнена тремя равными слоями, при этом каждый слой утрамбовывается десятью уплотнениями трамбовочным стержнем. Каждое уплотнение состоит из опускания трамбовочного стержня от 2 дюймов выше поверхности уплотняемого слоя. Вес содержимого формы определяют в каждом случае и рассчитывают процент пор, используя величину удельного веса каждой из фракций заполнителя. Эту процедуру повторяют на том же материале, но применяя 50 уплотнений на каждом из трех слоев. Затем вычисляют индекс частицы с помощью следующего уравнения:

I_a= 1,25∙V₁₀-0,25∙V₅₀-32,0

где

I_a = величина индекса частицы;

V₁₀ = процент пор при уплотнении заполнителя 10 уплотнений на слой; и

V₅₀ = процент пор при уплотнении заполнителя 50 уплотнений на слой.

Индекс частиц заполнителя, содержащего несколько размерных фракций, является взвешенным с учетом процентной доля фракций в первоначальном гранулометрическом составе заполнителя. Заполнитель, состоящий из круглых частиц с гладкой текстурой поверхности, имеет низкий индекс частиц, равный 6 или 7, а для заполнителя, состоящего из разломанных частиц с большими углами и с грубой текстурой поверхности имеют индекс частиц 15, 20 или больше. На рисунке 3-8 показано влияние индекса частиц на стабильность по Маршаллу (10). Это испытание требует много времени и поэтому используется редко.

АГС обычно более стабилен и устойчив к колееобразованию, если содержит значительную долю (например, 90 %) крупного заполнителя с по крайней мере с одной поверхностью разлома. Для АГС высшего класса, FHWA (11) рекомендовала недавно, чтобы в технических условиях было требование, чтобы на сите № 4 (4,75 мм) оставалось не менее 60 % материала имеющего не менее двух механически раздробленных поверхностей и доля природного песка была ограничена от 15 до 25 %. Долю природного песка ограничивают, потому что он обычно скругленный и, следовательно, менее желателен по сравнению с дробленным мелким заполнителем. Технические условия некоторых компаний требуют не менее 75 или 85 % крупных частиц, имеющих две поверхности разлома и не менее 90 %, имеющих одну поверхность разлома. Форма частиц и текстура поверхности мелкого заполнителя сильнее влияют на прочность АГС марок с высокой плотностью, чем это имеет место у крупного заполнителя. Высокий процент поверхностей разлома важен для плотных смесей, чтобы обеспечить достаточную стабильность, но еще более важен для обеспечения трения между слоями в крупнозернистом заполнителе.

В настоящее время для измерения процентной доли поверхностей разлома заполнителей нет стандартных методик испытаний ни в ASTM ни в AASHTO. Можно разделить материал на порции, остающиеся на сите № 8 и на ситах большего номера и рассчитать число частиц, имеющих одну, две или более поверхностей разлома. Это испытание не может практически быть проведено на заполнителях, меньших, чем сито № 8 (2,36 мм) из-за того, что размер частиц слишком мал для визуальной оценки. Рассчитывается весовой процент каждого размера, имеющего одну, две или более поверхностей разлома. Затем рассчитывают взвешенное среднее, перемножением этих процентов на процент заполнителя соответствующего размера, остающегося на сите. Конечный результат дает взвешенную величину процента заполнителя с одной, двумя или более поверхностями разлома.

Форма частиц и текстура поверхности мелких заполнителей может быть выражена количественно согласно ASTM C1252 или AASHTO TP33 (Содержание открытых пор в мелком заполнителе). Это испытание многообещающее для предсказания потенциального колееобразования на АГС основываясь на работах, выполненных Национальным Центром Технологии Асфальта (12, 13). Они включены в разработку покрытия «SUPERPAVE». В этом методе цилиндр вместимостью 100 см³ заполняют мелким заполнителем, предварительно известного гранулометрического состава, позволяя образцу протекать в калиброванный цилиндр через отверстие в воронке. Избыток материала удаляют, и цилиндр с заполнителем взвешивают. Затем рассчитывают содержание открытых пор в образце с помощью этого веса и удельного веса сухого заполнителя. Используют три варианта этого метода. Метод А используют для фракционированного образца заданного гранулометрического состава. Метод В используют для трех фракций: № 8 от 8 до 16 (2,36 до 1,18 мм), № 16 до № 30 (1,18 до 0,6 мм), и № 30 до № 50 (0,6 до 0,3 мм); и определяют среднее содержание пор. Метод С использует общепринятый гранулометрический состав. Метод А использован при разработке покрытия «SUPERPAVE».

Плоские и вытянутые частицы препятствуют сжатию и могут предотвратить развитие достаточного напряжения в АГС. AASHTO M283 требует, чтобы доля заполнителя, остающегося на сите 3/8-дюйма (9,5 мм) не должна содержать более 15 % по весу частиц, у которых отношение длины к ширине, или ширины к толщине превышает 5:1. Плоские и вытянутые частицы в крупных заполнителях можно определить согласно ASTM D4791 с помощью пропорционального каверномера. Форма мелкого заполнителя также очень важна, и были выполнены исследования по разработке методики точной количественной оценки формы частиц, и определению пригодности смесей мелких заполнителей для использования в АГС.

Рисунок 3-8. Влияние индекса частиц на стабильность по Маршаллу (10)