Выбор оптимального содержания битума

Оптимальное содержание асфальта определяется после того, как будут выбраны заполнители и битумное вяжущее, отвечающие требованиям по качеству, а также после установления количества заполнителя, необходимого для достижения подходящей структуры заполнителя. Оптимальное содержание битума определялось по системе Суперпейв как содержание битума с количеством пустот 4%при N_d. Конечно, расчетная смесь должна отвечать требованиям для N_i и N_m и другим установленным требованиям. После проектирования состава смеси необходимо проанализировать чувствительность к воде с помощью типовых методик испытаний. Для системы Суперпейв рекомендуется использовать методику AASHTO T-283.

Первым этапом при выборе оптимального содержания битума будет предварительный расчет оптимального содержания битума. Правильный расчет должен строится на основании испытаний пробной смеси заполнителя.

После расчета оптимального содержания битума готовят четыре образца, каждый из которых имеет следующие параметры: содержание битума  на 0,5% меньше расчетного оптимального значения, содержание битума совпадает с расчетным оптимальным значением, содержание битума на 0,5% и 1,0% выше расчетного оптимума. Каждый образец смешивают и помещают в печь при температуре 135°C на время, необходимое для старения. Каждый образец уплотняют при N_m оборотах, исходя из расчетного уровня трафика и рабочей температуры.

После того, как все образцы уплотнятся, их извлекают из оправок и измеряют объемную плотность при N_m. Поправочный коэффициент вычисляют исходя из фактической объемной плотности и расчетной объемной плотности, и корректируют расчетный процент пустот для каждого образца при N_i и N_d. Результаты для скорректированного процента TMD для всех трех образцов наносят на график, как показано на рисунке 4-23.

Рисунок 4-23. Графики для определения оптимального содержания битума и вычисления N_i и N_m

После нанесения данных на график, как показано на рисунке 4-23, выбирают такое содержание битума, при котором процент пустот будет составлять 4 при N_d. При этом проводят вертикальную линию для N_d и горизонтальную для TDM 96%. Точка, в которой пересекутся эти две линии, представляет оптимальное содержание битума. Это, вероятно, потребует некоторой интерполяции между реальными экспериментальными точками. Достаточным будет провести интерполяцию, но не экстраполяцию. Оптимальным содержанием битума считается такая величина, при которой теоретическая максимальная плотность составляет 96%. Затем для N_i проводят вертикальную линию до точки оптимального содержания битума и продолжают по горизонтали для определения процента теоретической максимальной плотности. То же самое проделывают и для N_m. Выбранное значение не должно превышать 96%. Этот пример отвечает условиям для N_i и N_m. (Рисунок 4-23). Помните, что величина теоретической максимальной плотности разная при разном содержании битума. Зная величину теоретической максимальной плотности при одном содержании битума  можно вычислить ее для другого содержания битума, определив эффективный удельный вес заполнителя, и выполив некоторые вычисления, описанные в этой главе.

Содержание асфальта считается оптимальным, если процент пустот при N_d составляет 4, при N_i – более 11%, N_m – более 2%. Если смесь не соответствует требованиям по N_i или N_m, то необходимо изменить гранулометрический состав заполнителя или его источник. Два других критерия, которые должны быть соблюдены - это процент пустот в минеральном заполнителе (VMA) и процент пустот, заполненных асфальтом (VFA). Критерии для VMA приводятся в таблице 4-12, а критерии для VFA – в таблице 4-13.

Таблица 4-12. Требования по VMA

Номинальный максимальный размер зерен заполнителя, мм	Минимальный процент пустот в минеральном заполнителе
9,5	15,0
12,5	14,0
19,0	13,0
25,0	12,0
37,5	11,0

Таблица 4-13. Требования по пустотам, заполненным битумом

ESALs (миллионы)	Процент пустот, заполненных битумом
< 0,3	65-80
< 1	65-78
< 3	65-78
< 10	65-75
< 30	65-75
< 100	65-75
≥ 100	65-75

Если состав смеси отвечает всем требованиям, за исключением процента пустот, заполненных асфальтом, то можно слегка подкорректировать содержание асфальта, чтобы сохранить количество пустот на уровне близком к 4% и удержать количество пустот, заполненных асфальтов в установленных пределах. Термин «пустоты, заполненные битумом» представляется несколько избыточным, поскольку рассматривается как функция пустот и пустот в минеральном заполнителе. С точки зрения практики, волюметрические качества HMA могут определяться процентом пустот и пустот минерального заполнителя.

Два обстоятельства заслуживают упоминания в связи с проектированием состава смесей Суперпейв. Лица, которые имеют опыт в проектировании смесей для образцов диаметром 100 мм, обнаружат, что для работы с образцами диаметром 150 мм потребуется гораздо больше материала. Было подсчитано, что для проектирования образца смеси диаметром 150 мм по методу Суперпейв потребуется материала в 4 раза больше, чем для образца диаметром 100 мм, приготовляемого по методу Маршалла или Хвима. Поскольку образцы должны быть состарены в печи, то следует учесть и то обстоятельство, что печь должна быть довольно вместительной. В зависимости от количества образцов, которое нужно подготовить и уплотнить, вполне возможно, что процессе в проектирования смесей придется задействовать не одну печь.

Разработка системы Суперпейв для проектирования смесей, безусловно, является, шагом, сделанным в правильном направлении на пути улучшения качества HMA. Это новый процесс и он может претерпеть существенные изменения в ближайшие годы. Изменения затрагивают любую новую технологию, и система Суперпейв, вероятнее всего, тоже будет модифицирована в течение первого года использования.

ДРУГИЕ УСЛОВИЯ

Условия, которые необходимо учитывать при проектировании состава смесей включают: чувствительность к влаге, возможность регенерации смесей и сопротивление скольжению для поверхностных смесей. Далее вкратце обсуждается каждой из этих условий.

Чувствительность к влаге

Обсуждение по проектированию смесей будет неполным, если не рассматривать такой фактор, как чувствительности к влаге или ухудшение качества HMA под влиянием разрушающего действия влаги, что приводит к образованию очагов разрушения на поверхности покрытия. Образование очагов разрушения на поверхности покрытия ведет к потере прочности, а это происходит из-за ослабления связей между битумным вяжущим и заполнителем. Такая потеря прочности может быть внезапной и необратимой, при этом битум отслаивается от заполнителя, смесь теряет сцепление, и это приводит к быстрому развитию повреждения. Иногда битумное вяжущее вымывается из заполнителя и тогда заполнитель остается открытым. Более распространенным является состояние, при котором происходит постепенная потеря прочности в течение нескольких лет, что приводит к образованию колеи и местных неровностей в дорожном покрытии. Корректное проектирование смесей является очень важным для предупреждения образования очагов разрушения на поверхности покрытия; однако и на правильно составленных смесях могут образовываться очагов разрушения на поверхности покрытия, если при уплотнении на месте образуется пустоты в количестве, достаточном для распространения влаги в слое HMA. Следовательно, необходимо анализировать каждую смесь и определять ее чувствительность к ущербу, наносимому водой, в том случае, если вода проникает в слой HMA.

Предлагаются и проводятся многочисленные испытания на чувствительность к воде (20). Эти испытания обсуждаются в главе 5 – Характеристика асфальтобетонных  смесей.

Регенерация горячих смесей

Все большее и большее количество смесей, производимых в США, содержит некоторое количество регенерированного асфальтового покрытия (RAP). И все потому, что этот материал состоит, как правило, из ценных заполнителей и битумного вяжущего, которые можно использовать повторно. Натурные исследования (21) показали, что нет никаких заметных различий между регенерированными и первичными HMA покрытиями, как в отношении свойств материала на месте, так и в отношении эксплуатационных характеристик дорожного покрытия. Если материал RAP не применяется в переработанной смеси, то он, как правило, используется на обочинах в качестве основания, или отправляется на свалку. Ни одно из этих направлений не использует преимущества денежной стоимости этого продукта. Кроме того, более частое использование фрезерных машин для удаления ненужных слоев дорожного покрытия и сильно поврежденных материалов способствовало росту поставок регенерированного асфальта, который во многих штатах является собственностью подрядчика. Подрядчик заинтересован в использовании этого материал наиболее экономически эффективным способом, а именно в виде регенерированных смесей НМА. Однако, любая смесь, содержащая RAP материалы должна соответствовать тем же техническим требованиям, что и первичная смесь. Следовательно, подрядчик должен тщательно исследовать качество и однородность запасов регенерированного асфальта, чтобы обеспечить полученной горячей асфальтобетонной смеси соответствие техническим условиям проекта. Кроме того, установки для изготовления НМА должны быть модифицированы для обработки RAP материалов, также должна соблюдаться специальная процедура накопления запасов, которая гарантирует легкость переработки в процессе производства.

Для того, чтобы внедрить материал RAP в состав смеси, необходимо определить гранулометрический состав RAP и свойства битумного вяжущего. Согласно статье 14 необходимо взять три образца из штабеля RAP и экстрагировать битумное вяжущее из каждого образца. Процесс экстракции заключается в извлечение битумного вяжущего из заполнителя при помощи растворителя. Гранулометрический состав заполнителя и содержание битума можно установить для каждого образца. Гранулометрический состав RAP из штабеля представляет собой усредненное значение гранулометрического состава трех образцов, а содержание битума в RAP – усредненное значение содержания битума в трех образцах. Растворитель, содержащий растворенное битумное вяжущее следует собрать и провести процесс регенерации (ASTM D1856) для восстановления битумного вяжущего. Следует измерить вязкость и пенетрацию восстановленного битумного вяжущего. Используя усредненный гранулометрический состав штабеля RAP, определяется смесь с доступными первичными заполнителями. Измельченный регенерированный асфальт может содержать высокий процент мелкозернистых фракций, поэтому следует позаботится о том, чтобы смесь соответствовала всем ведомственным спецификациям по гранулометрическому составу, проценту VMA и нормативам по соотношению пылевидных фракций (мелкозернистых) и битума. По типу НМА установки определяют максимальное стандартизированное количество RAP, которое можно включить в смесь, сохранив высокую производительность и соответствие требованиям по выбросу и непрозрачности газообразных отходов для вытяжной трубы. 

Рекомендуемое максимальное процентное содержание RAP материала в НМА при идеальных условиях:

1. 70 % от общей смеси для модифицированного барабанного смесителя

2. 50 % от общей смеси для модифицированного смесителя периодического действия

Обычно, максимальный объем производства колеблется в пределах 50% для RAP из барабанного смесителя и 30% - из смесителя периодического действия. Такой невысокий процент позволяет увеличить общую норму выработки RAP материалов с характерным для них высоким содержанием влаги. Если обобщенный гранулометрический состав и количество RAP, которое необходимо внедрить, установлено, то необходимо определить сортность первичного битума и восстанавливающего агента, требуемых для получения желаемых свойств битумного  вяжущего.

Некоторые агентства используют показатель вязкости извлеченного битумного  вяжущего для выбора восстанавливающего агента, который смешивают с RAP материалом для восстановления битумного вяжущего до его исходной вязкости. Номограммы вязкости смесей, использованные для этой цели, представлены в главе 7, используются для специальных смесей, включая регенерированные горячие смеси. Номограммы такого типа могут применяться для смесей регенерированного битумного  вяжущего, содержащего как битумного вяжущее другого сорта, так и восстанавливающий агент.

Содержание RAP в регенерированной смеси должно быть низким, или понижаться, для того, чтобы сорт битумного  вяжущего, добавляемый в качестве новой жидкости был не более чем на два порядка мягче, чем сорт битумного вяжущего, требуемый для регенерированной смеси.

Вторая процедура для определения класса первичного битума, который предполагается добавить, приводится в статье 14. При использовании 30% RAP, берут битумное вяжущее, которое на один порядок мягче, чем требуемое для готовой регенерированной смеси. При использовании более высокого процента, до 60%, берут битумного вяжущее, которое на два порядка мягче, или добавляют пластификатор (восстанавливающий агент).

Если класс первичного битума, который следует добавить к смеси, установлен, то количество RAP и первичного битума можно определить для каждого содержания битума (общее), которое предполагается использовать при составлении смеси. В статье 14 приводятся следующие формулы для расчета этих количеств:

RAP = { B X C / (100 – D)} { W_T / 100}

Av = [ A – (B X C /100) 100/(100 – D) –1] { W_T /100}

где:

RAP = вес регенерированного покрытия, г

B    = процент всего заполнителя в итоговой смеси

C    = процент регенерированного заполнителя в смеси заполнителя

D    = процент битумного вяжущего в RAP

W_T = общий вес экспериментального образца, г

Av = вес первичного битумного вяжущего, г и

A    = процент битумного  вяжущего в итоговой смеси.

При подготовке экспериментальных образцов, следует отметить некоторые специальные аспекты. Первое, трудно разделить частицы RAP, чтобы добиться точного количественного соответствия, требуемого при подготовке отдельного образца. Поэтому некоторые техники-лаборанты подготавливают большую партию материала, необходимого для каждого процентного содержания битума. Из общего количества большой партии можно отобрать четвертую часть для отдельного экспериментального образца. Материал RAP нагревается отдельно и при более низкой температуре (около 60С), чем та, которая нужна для смешивания и уплотнения. Первичные заполнители нагреваются до такого состояния, чтобы при смешивании получилась композиция температурный интервал смешивания которой находится в требуемых пределах. Нагревание RAP при более низкой температуре предупреждает чрезмерное твердение битумного вяжущего из RAP.

Баланс методологии приготовления смесей тот же самый, что и для смесей, составленных из первичных материалов. Регенерированные НМА должны соответствовать всем методикам испытаний и критериям, разработанным для первичных материалов.