Этап G. Определение оптимального содержания битума

G-1. Для определения оптимального содержания битума по графикам обычно применяется один из двух следующих способов:

Способ 1. Процедура NAPA, изложенная в TAS 14 (14)

1. Определить содержание битума, соответствующее срединному содержанию воздушных пор по техническим условиям (обычно 4 процента). Это оптимальное содержание битума.

2. При этом оптимальном содержании битума определить по графикам значения следующих свойств:
- стабильности по Маршаллу;
- течения;
- VMA;
- VFA.

3. Сравнить каждое из этих значений с соответствующими значениями техусловий; если все они отвечают требованиям техусловий, предшествующий выбор оптимального содержания битума был удовлетворительным. Если какое-либо из указанных свойств не вписывается в диапазон, заданный техусловиями, смесь надо составлять заново.

Способ 2. Способ Института асфальта, изложенный в MS-2 (13)

1. Определить:

а) содержание битума при максимальной стабильности

б) содержание битума при максимальной плотности

в) содержание битума в средней точке заданного техусловиями
диапазона воздушной пористости (обычно 4 процента)      

2. Определить среднее по трем выделенным выше значениям содержание битума.

3. Для этого среднего содержания битума определить по графикам значения следующих свойств:
- стабильности;
- течения;
- воздушной пористости;
- VMA.

4. Рассчитать значения из шага 3, используя значения, приведенные в таблице 4-1 и на рисунке 4-13, в качестве критериев приемлемости.

G-2. Если какое-либо из свойств по этим критериям не пройдет, то следует предпринять специальные меры, чтобы выяснить, может ли эта смесь быть использована в строительстве. Местный опыт работы со смесью, не прошедшей по тем или иным критериям, может доказывать, что смесь работает удовлетворительно. Если это и в самом деле так, то соответствующие критерии могут быть изменены, но только для тех смесей, которые удовлетворительно работают в данных конкретных условиях транспортной нагрузки и окружающей среды. Если смесь не проходит по критерию VMA, следует изменить гранулометрический состав заполнителя и заново составить смесь.

G-3. Эта разработанная в лаборатории методика составления смеси дает основу для исходной рабочего состава смеси (JMF). Исходный рабочий состав смеси нередко приходится подгонять на ранних стадиях процесса строительства вследствие небольших различий между заполнителем, использованным в лаборатории, и тем, который применяется реально. Часто лабораторно определенное содержание битума оказывается в натурных условиях строительства слишком высоким, и его приходится снижать на несколько десятых процента, в особенности, если VTM приготовленной смеси оказывается низким. Опыт строительства нескольких первых дней должен быть тщательно изучен, и JMF изменена так, чтобы получающаяся смесь удовлетворительно смешивалась, укладывалась и уплотнялась. Обеспечьте соответствие приготовляемой смеси по всем параметрам Маршалла.

Пример составления смеси по Маршаллу приводится ниже в этой главе.

Критерии Маршалла

Как отмечалось выше, критерии, применяемые в разных штатах, использующих метод Маршалла для составления асфальтобетонных смесей, значительно варьируются. И хотя мы в нашем обсуждении рассматриваем все критерии, читатель должен понимать, что не все эти критерии используются всеми агентствами, составляющими технические условия. Как правило, в большинстве штатов составление смеси по Маршаллу включает измерение следующих свойств: минимального количества пор в минеральном заполнителе (VMA), диапазона приемлемых значений содержания воздушных пор, минимальной стабильности и диапазона или минимума течения. В некоторых штатах добавляют еще требование, чтобы процент пор, заполненных битумом (VFA) был внутри заданного интервала. Каждый из этих критериев рассматривается ниже.

Таблица 4-1. Критерии для поверхности и основы при составлении смеси по                    Маршаллу (13)

Критерии составления смеси по Маршаллу	Движение
	Незначительное		Среднее		Интенсивное
	Минимум	Максимум	Минимум	Максимум	Минимум	Максимум
Уплотнение:  количество ударов на сторону	35		50		75
Стабильность, Н	3333	-	5333	-	8000	-
Течение, 0,25 мм	8	18	8	16	8	14
Воздушные поры, %	3	5	3	5	3	5
Поры в минеральном заполнителе	(Показано графически на рисунке 4-13)

Поры в минеральном заполнителе. VMA это общий объем пор внутри массы уплотненного заполнителя. Общее количество пор существенно влияет на работу смеси, так как если VMA слишком мало, могут возникнуть проблемы с долговечностью смеси, а если VMA слишком велико, могут возникнуть проблемы стабильности и, кроме того, такая смесь неэкономична в производстве. VMA складывается из двух компонентов: объема пор, заполненных битумом, и объема пор, сохранившихся после уплотнения, то есть предоставляющих пространство для термического расширения битума в жаркую погоду. Объем битума  – критический параметр для долговечности смеси. Этот объем битума, вместе с гранулометрическим составом заполнителя, определяет толщину пленки битума, покрывающей каждую частицу заполнителя. Если толщина пленки будет недостаточной, может произойти ускоренное окисление битума, пленка станет более проницаема для воды, и это неблагоприятно скажется в растягивающих напряжениях смеси. На рисунке 4-13 показаны рекомендации по VMA в публикации Института асфальта (13).

Заметьте, что с уменьшением максимального размера частиц минимум VMA увеличивается. Причина этого в том, что общий объем пор между малыми частицами больше объема пор между большими частицами. Таким образом, оптимальное содержание битума для смеси с плотноподобранной гранулометрией заполнителя и максимальным размером зерна 50 мм может составлять всего лишь 3,0 – 3,5 процента, в то время как для максимального размера заполнителя 9,5 мм содержание битума может быть значительно выше: 7,0 – 7,5 процента. VMA для каждой данной смеси должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить место для битума и необходимых воздушных пор. Заметьте, что если составляющее технические условия агентство указывает для составления смеси оба критерия – и VMA, и минимальное содержание воздушных пор, то оно указывает и VFA, так как VFA рассчитывается, исходя из VMA и содержания воздушных пор. Многие нормирующие агентства выдвигают жесткие технические условия по VMA. Они должны понять, что любые техусловия по VMA должны опираться на эксплуатационные данные. Фостер (15) проанализировал результаты натурных исследований эксплуатационных характеристик покрытий, проведенных Мас-Леодом в 1950-х годах; рекомендации по минимальным значениям VMA основаны на этих данных.

¹ Стандартные спецификации на испытательные сита из металлического материала по ASTM Описание EII (AASHTO Описание M92)

² Для обработанного заполнителя номинальный максимальный размер частиц это наибольший указанный в применяемых техусловиях размер сита, на котором задерживается какой-либо материал.

³ Смесь в полосе допуска 1 % допускается, только если опыт показывает, что эта смесь работает удовлетворительно, и если по всем остальным критериям смесь проходит.

Рисунок 4-13. Связь пористости минерального заполнителя и максимального размера сит с критериями приемлемости (13)

Поры во всей смеси (VTM). Большинство агентств требуют, чтобы значение VTM для уплотненных образцов плотноподобранной смеси HMA при оптимальном содержании битума составляло от 3 до 5 процентов. Имеется много причин для того, чтобы рекомендовать такой диапазон содержания пор. Однако это – содержание воздушных пор для лабораторно уплотненных образцов, и его не следует путать с таковым для натурно уплотненных образцов. При строительстве к этому содержанию пор следует приближаться путем приложения соответствующего усилия уплотнения, а не путем добавления битума с целью заполнения воздушных пор. Слои HMA дорожного покрытия передают нагрузку с поверхности нижележащим слоям благодаря межзеренному контакту и сопротивлению течению матрицы вяжущего, поэтому для достижения надлежащих эксплуатационных характеристик, в слоях HMA должно создаваться высокое сопротивление сдвигу. Это высокое сопротивление сдвигу должно присутствовать для того, чтобы предотвратить дополнительное уплотнение под воздействием транспортной нагрузки, которое может привести к образованию колеи по траектории колес или к выдавливанию битума на поверхность дорожного покрытия.

Кроме того, плотноподобранный слой износа HMA должен иметь поверхность, относительно непроницаемую как для воды, так и для воздуха. Если местное содержание воздушных пор лишь ненамного выше диапазона 3 – 5 процентов, водо- и влагопроницаемость будут весьма низкими, так как имеющиеся поры не будут соединяться, а будут, скорее, представлять собой изолированные отдельные карманы в массе заполнителя и битума. Низкое содержание воздушных пор минимизирует твердение пленок битума в массе заполнителя, а кроме того, минимизирует и возможность воды проникать в смесь, воздействовать на тонкую пленку битума и вызывать отслоение битума от заполнителей. Очень важно, чтобы смесь HMA была уплотнена до лабораторной плотности, моделирующей предельную плотность, достигаемую под транспортной нагрузкой, и, в то же время, чтобы содержание воздушных пор в смеси было в интервале 3 – 5 процентов. Местное содержание воздушных пор исходно должно быть несколько выше этого интервала в 3 – 5 процентов, чтобы оставался запас для дополнительного уплотнения.

Плотность. Величина плотности, достигнутая в процессе лабораторного уплотнения, не столь важна. Важно то, насколько эта достигнутая в лаборатории плотность близка к плотности, достигаемой в натурных условиях после нескольких лет эксплуатации покрытия. Вспомните историю развития методов Маршалла, Хвима и «суперпейв»: разработчики способов лабораторного уплотнения прикладывали уплотняющие усилия так, чтобы обеспечить лабораторные плотности, сравнимые с плотностями, которые достигались теми же материалами в натурных условиях и соответствовали хорошим эксплуатационным показателям. В техусловиях многих штатов теперь записывается требование, чтобы натурная плотность составляла некоторый процент от максимальной теоретической плотности; требуемая плотность может быть достигнута увеличением усилия уплотнения, увеличением содержания битума, увеличением содержания наполнителя или любым способом, снижающим пористость. Таким образом, важно, как достигается эта плотность: достигается ли она приложением усилия уплотнения, заставляющего частицы заполнителя ближе подходить друг к другу, или она достигается заполнением пор асфальтовым цементом либо наполнителем. Все эти способы увеличивают плотность (как процент от максимальной теоретической плотности), но удовлетворительное усилие уплотнения надлежащим образом составленной смеси дает смесь с высокой сдвиговой прочностью, тогда как модифицирование смеси для уменьшения местной пористости дает смесь с низкой сдвиговой прочностью, склонную к большой остаточной деформации под высокой вертикальной нагрузкой или к возникновению больших сил ускорения и замедления, в частности, на перекрестках.

Поскольку плотность обычно выражается как процент от максимальной теоретической плотности, легко заметить, что всё, уменьшающее местное содержание воздушных пор, увеличивает этот процент. Заметьте также, что увеличение содержания битума или количества минерального наполнителя в смеси тоже увеличивают этот процент, но не обязательно положительно сказываются на эксплуатационных характеристиках. Это одна из причин, по которым важно уплотнение образцов Маршалла из натурных материалов. Повышение плотности вследствие повышения усилия уплотнения увеличивает сопротивление сдвигу и улучшает эксплуатационные характеристики, при условии, что имеется надлежащее количество битума, предотвращающее возникновение проблем долговечности, и что этого асфальтового цемента не слишком много, чтобы не возникло проблем остаточной деформации.

В процедуре составления смеси по Маршаллу плотность варьируется в зависимости от содержания битума. Вначале плотность возрастает, так как растет содержание битума вследствие того, что горячий асфальтовый цемент смазывает частицы, и они под воздействием уплотняющего усилия сдвигаются ближе. Плотность достигает своего максимума и затем начинает уменьшаться из-за того, что дополнительный битум увеличивает толщину пленок вокруг отдельных заполнителей, тем самым отталкивая частицы заполнителя друг от друга; это и уменьшает плотность.

Стабильность. Стабильность по Маршаллу определяется как максимальная нагрузка, выдерживаемая уплотненным образцом, который испытывается при 60⁰С и скорости нагружения 50,8 мм/мин. Стабильность это общепринятая мера массовой вязкости смеси заполнителя с битумом; она существенно зависит от угла внутреннего трения заполнителя и вязкости битума при 60⁰С. Так как вязкость при 60⁰С в первую очередь зависит от сорта битума, одним из самых ранних способов увеличения стабильности смеси, содержащей определенный заполнитель, была замена битума на более вязкий сорт. Существенно воздействовать на стабильность смеси по Маршаллу можно также выбором более остроугольного заполнителя, то есть дробленые остроугольные заполнители при той же самой гранулометрии дают более высокую стабильность смеси, чем окатанные или полуокатанные. Таким образом, составитель может выбором характеристик битума и заполнителя составлять смеси большей или меньшей стабильности. Все, что увеличивает вязкость битума, увеличивает и стабильность по Маршаллу. Так, можно добавить небольшое количество очень мелкого минерального наполнителя, и смесь битума с минеральным наполнителем может сработать как более вязкое вяжущее, увеличив стабильность по Маршаллу. Однако если минеральный наполнитель будет чрезвычайно мелким, он может поглотить битум, сработав как увеличение содержания битума, и уменьшить стабильность из-за формы зависимости стабильности по Маршаллу от содержания битума. Поэтому следует тщательно и полно проанализировать влияние изменения компонентов на свойства материалов HMA.

Стабильность по Маршаллу и натурная стабильность не обязательно связаны. Практики часто полагают, что если в условиях эксплуатации возникают проблемы со стабильностью (образование колеи), их можно решить, увеличив минимальную допустимую стабильность по Маршаллу, используемую при составлении смеси. Однако практический опыт показал, что это не работает. Основной предпосылкой подобной попытки решения проблемы является допущение, что стабильность по Маршаллу моделирует натурную стабильность. Однако стабильность смеси в реальных условиях зависит от окружающей температуры, характера и интенсивности нагрузки, контактного давления шин и многочисленных свойств смеси, поэтому вышеуказанное допущение трудно принять, так как лабораторная стабильность по Маршаллу учитывает лишь суженный набор упомянутых факторов. Таким образом, если на практике возникают проблемы стабильности, следует провести всеобъемлющее исследование, чтобы определить, с какой их характеристик смеси, по всей видимости, связана возникшая проблема, а не рассчитывать, что проблема решится увеличением лабораторной стабильности.

Стабильность по Маршаллу в первую очередь используется для оценки изменений стабильности с увеличением содержания битума, то есть как средство, помогающее выбрать оптимальное содержания битума. Стабильность по Маршаллу полезна также при контроле постоянства свойств поставляемой с завода HMA. Использование стабильности по Маршаллу в качестве параметра технических условий требует осторожности, так как величины, замеренные в испытаниях на стабильность, подвержены значительным вариациям, другими словами, точность этих испытаний очень невелика. В самом деле, стандарт ASTM D1559 не содержит точных предписаний, хотя попытки собрать данные для формулирования таковых периодически предпринимались на протяжении ряда лет.

Сдвигоустойчивость. Сдвигоустойчивость замеряется одновременно со стабильностью по Маршаллу. Сдвигоустойчивость равно вертикальной деформации образца (замеренной от начала нагружения до момента, в который стабильность начинает уменьшаться), выраженной в сотых дюйма. Высокие значения сдвигоустойчивостии, как правило, характеризуют смесь как пластичную, в которой под транспортной нагрузкой будет возникать остаточная деформация, в то время как низкие значения сдвигоустойчивостии могут служить указанием на то, что в смеси имеется избыток пор и недостаточно битума, чтобы она была долговечной, а также на то, что возможно преждевременное растрескивание покрытия в процессе эксплуатации вследствие хрупкости смеси.

Для 75-ударного составления смеси по Маршаллу, применяемого при создании покрытий дорог, связывающих штаты, дорог с большими объемами движения и покрытий аэродромов, обычно требуют, чтобы значения сдвигоустойчивостии были в интервале от 8 до 16. Для 50-ударного составления смеси по Маршаллу, применяемого при создании покрытий дорог с небольшими объемами движения, иногда допускают и такую большую величину сдвигоустойчивостии, как 20.

Процент пор, заполненных битумом. В ряде штатов процент пор, заполненных битумом (процент VFA), добавляется к перечисленным выше критериям. Если требования по VMA указываются нормирующими агентствами в техусловиях, и в процессе строительства осуществляется регулирование количества воздушных пор, то заданный процент VFA это излишнее требование для HMA с плотноподобранной гранулометрией. Большинство штатов, включающих в техусловия процент VFA, обычно требуют, чтобы VFA было в пределах 70 – 85 процентов.