Проектирование смесей по методу Маршалла

Нагретые образцы заполнителя смешивались с разными количествами битумного  вяжущего, так что в одних образцах содержание битума было ниже, а в других выше, предполагаемого оптимального значения. Образцы уплотняли, давая 75 ударов с каждой стороны стандартным молотком Маршалла, как описано в ASTM D1559. на каждое процентное содержание битума было подготовлено по три образца. Всего было приготовлено 18 образцов (3 для 6 разных процентных долей битума). Результаты испытаний и рассчитанные свойства приводятся в таблице 4-16.

После уплотнения образцы были извлечены из оправок и оставлены остывать. Сухие образцы были взвешены на воздухе (W_D), затем вымочены в воде в течении 3 минут и взвешены в погруженном в воду состоянии (W_sub), затем извлечены из воды, высушены промоканием, и взвешены на воздухе (W_SSD).

Затем определяется объемный удельный вес образца G_sb:

G_mb = W_D / (W_SSD - W_sub)

Объем образца в мл равен значению W_SSD - W_sub при взвешивании в граммах. Объемная плотность (γ) образца в фунтах на куб. фут (0,016 кг в 1 л) рассчитывается по формуле:

γ = G_mb х δ_w

Для образца 1 с содержанием асфальта 0,5 % рассчитывается следующим образом:

G_mb = 1167,8 / (1169,0 – 650,7) = 2,253

Плотность образца (γ) = 2,253 х (1) = 2,253 г/мл

Содержание пустот в общей смеси (VMT) определяется для каждого образца методом сравнения средней объемной плотности для каждого процентного содержания битума с теоретической максимальной плотностью (TDM) для этого же процентного содержания битума. Наиболее распространенный метод определения TDM это метод Райс, описанный в ASTM D2041. Показатель VTM определяется по следующей формуле:

VTM = {1 – G_mb / G_mm) 100

или

VTM = {1 – объемная плотность образца / TDM } 100

В этом случае среднее значение объемной плотности для трех образцов при содержании битума 5,0% составляло 2,252 г/мл, а величина теоретической максимальной плотности этой же смеси составляла 2,454 г/мл. Тогда величина VTM:

VMA = (1 – (2,252 / 2,454)) x 100 = 8,2%

Количество пустот в минеральном заполнителе (VMA) для смеси с процентным содержанием битума  0,5%, вычисляется по следующей формуле.

VMA = 100 [1 – G_mb (1 – P_b) / G_sb] = 100 [1 – 2,252 (1 – 0,05) / 2,620] = 18,3

Количество пустот, заполненных битума (VFA), для 5% асфальтобетонной смеси определяется следующим образом:

VFA = ((VMA – VTA) / VMA) 100 = ((18,3 – 18,2) / 18,3) 100 = 55,2%

Таблица 4-15. Определение пропорций заполнителя, отвещающих установленным пределам

	Размер отверстий сита
	½ дюйма 12,5 мм	3/8 дюйм 9,5 мм	№ 4 4,75 мм	№ 8 2,36 мм	№ 16 1,18 мм	№ 30 0,600 мм	№ 50 0,300 мм	№ 100 0,150 мм	№ 500 0,075 мм
	Проба №1
№ 1 (25%)	25	22	1	0	0	0	0	0	0,0
№ 2 (25%)	25	22	14	2	2	1	1	1	0,6
№ 3 (25%)	25	25	25	20	18	12	6	4	2,5
№ 4 (25%)	25	25	25	25	24	22	17	4	0,6
Итого	100	97	65	47	44	35	24	9	3,6
Специф.	100	95-100	47-77	72-70	46-63	37-57	24-39	8-25	2-8
	Проба № 2
№ 1 (25%)	25	22	1	0	0	0	0	0	0,0
№ 2 (15%)	15	15	9	2	1	1	1	1	0,3
№ 3 (35%)	35	35	35	28	25	16	9	5	3,5
№ 4 (25%)	25	25	25	25	24	22	17	4	0,6
Итого	100	97	70	55	50	39	27	10	4,4
Специф.	100	95-100	47-77	52-70	46-63	37-57	24-39	8-25	2-8

Таблица 4-16. Результаты испытаний и свойства смесей, составленных по методу Маршалла

Образец №	Содержание асфальта	Вес в воздухе (сухой)	Вес в воде	Вес в воздухе	Объем	Объемная плотность	Теорет. макс. плотность	Пустоты	VMA	Заполненные пустоты	Измеренная стабильность	Уточненная стабильность	Текучесть
1	5,0	1167,8	650,7	1169,0	518,3	140,6					2400	2400	11
2		1164,9	647,0	1166,2	519,2	140,0					2630	2630	11
3		1165,1	651,0	1167,0	516,0	140,9					2560	2560	12
Средн						140,5	153,1	8,2	18,3	55,2		2530	11
1	5,5	1166,4	652,4	1167,5	515,1	141,3					2520	2520	11
2		1179,0	661,4	1180,6	519,2	141,7					2690	2690	12
3		1169,4	650,9	1171,0	520,1	140,3					2650	2650	13
Средн						141,1	152,5	7,5	18,4	59,2		2620	12
1	6,0	1170,4	656,7	1171,0	514,3	142,0					2620	2620	13
2		1181,1	664,7	1181,9	517,2	142,5					2710	2710	13
3		1187,3	670,9	1189,0	518,1	143,0					2980	2980	12
Средн						142,0	151,3	5,8	18,1	68,0		2770	13
1	6,5	1174,2	661,6	1174,7	513,1	142,8					2800	2770	12
2		1185,3	667,7	1186,0	518,3	142,7					2730	2800	13
3		1182,3	667,7	1182,9	515,2	143,2					2900	2730	14
Средн						142,9	149,9	4,7	18,3	74,3		2810	13
1	7,0	1177,5	663,0	1177,9	514,9	142,7					2820	2820	14
2		1183,4	665,4	1183,6	518,2	142,5					2730	2730	14
3		1192,8	675,7	1193,3	517,6	143,8					2790	2790	15
Средн						143,0	148,5	3,7	18,6	80,1		2780	14
1	7,5	1181,9	663,3	1182,3	519,0	142,1					2650	2650	16
2		1173,0	660,2	1173,5	513,3	142,6					2380	2380	16
3		1182,2	666,1	1182,7	516,6	142,8					2590	2590	14
Средн						142,5	147,1	3,1	19,4	84,0		2540	15

Все вычисления проводятся после взвешивания образцов на воздухе и в воде, потом образцы испытываются на стабильность и текучесть. Нагрузка разрушения (в фунтах) при испытании на стандартном оборудовании Маршалла и является стабильностью по Маршаллу. Текучесть это деформация, выраженная коэффициентом 0,25 мм, которая происходит с момента нагружения до момента, когда нагрузка начинает убывать. Измеренная стабильность это не что иное, как измеренная фактическая нагрузка. Уточненный показатель стабильности включает поправку на объем образца. Для этого состава все величины объема оставались в требуемых пределах (ASTM D1559), поэтому в поправке не было необходимости. Результаты испытаний на стабильность и сдвигоустойчивость представлены в таблице 4-16.

После сбора всех данных, были построены графики, отражающие зависимость между разными свойствами и процентным содержанием асфальта, что показано на рисунке 4-24. Свойства, которые обычно отображались на графике: удельная масса, стабильность по Маршаллу, текучесть, количество пустот в общей смеси, количество пустот, заполненных битумным вяжущим и количество пустот в минеральном заполнителе.

А теперь для того, чтобы выбрать оптимальное содержание битума  необходимо знать проектную спецификацию. Для этого состава смеси спецификация приводится ниже:

Испытываемое свойство	Проектная спецификация
Стабильность по Маршаллу (Н)	1500 (6667) минут
Сдвигоустойчивость, 0,25 мм	8-16
Количество пустот в общей смеси	3-5
Количество пустот, заполненных битумным вяжущим	70-80

Существует несколько методов, применяемых для определения оптимального содержания битума. Каждое агентство, вовлеченное в дорожное строительство, пользуется собственной разработкой при выборе величины оптимального содержания.

Метод 1. Самой распространенной является процедура, рекомендованная NAPA (Национальной ассоциацией асфальтовых дорожных покрытий) (14), которая предполагает построение графиков, представленных на рисунке 4-24. Затем оптимальное содержание битума определяется посредством нахождения содержания битума, которое соответствует среднему содержанию пустот по спецификации (4 процента). На основании этого показателя содержания битума определяют, по каждому из графиков, представленных на рисунке 4-24, стабильность по Маршаллу, количество пустот в минеральном заполнителе, текучесть и процент заполненных пустот. Каждую величину сравнивают с величиной спецификации для конкретного свойства, и, если все величины находятся в установленных пределах, то это содержание битума при количестве пустот 4%, является оптимальным. Если одно из значений не выпадает из установленных по спецификации, то смесь необходимо перепроектировать. На основании модели, рассмотренной в качестве примера, установлено, что исходное оптимальное содержание битума, при количестве пустот 4%, составляет 6,9%. Следующие значения определялись и сопостовлялись с данными спецификаций.

Свойство	Спецификация	Результат	Состояние
Стабильность по Маршаллу	1500 фунтов (6667 Н) мин.	2775 фунтов (12333 Н)	Удовлетворяет
Сдвигоустойчивость	8-16	14	Удовлетворяет
Пустоты, заполненные битумным вяжущим	70-80	79	Удовлетворяет
Пустоты в минеральном заполнителе	Не требуется	18,6	-

 

Рисунок 4-24. Графическое отображение расчетных параметров для НМА по методу Маршалла

Метод 2. это вторая процедура, применяемая для определения содержания битума согласно которой содержание битума должно подбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальную стабильность, максимальное средневзвешенное значение и 4% пустот в общей смеси (средние требования спецификации). Таким образом, по полученным результатам были выбраны следующие показатели для содержания битума:

Свойство	Выбранное содержание битумного вяжущего
Пик кривой стабильности	6,5
Пик кривой средневзвешенного значения	6,8
4 % пустот в общей смеси	6,9
Среднее 6,7

Три показателя, выбранных для содержания битума, усредняются для определения ориентировочного оптимального содержания битума. На следующем этапе необходимо установить свойства смеси, чтобы обеспечить соответствие условию спецификации, согласно которому содержание битумного вяжущего должно составлять 6,7%.

Свойство	Спецификация	Результат	Состояние
Стабильность по Маршаллу	1500 фунтов (6667 Н) мин.	2800 фунтов (12430 Н)	Удовлетворяет
Текучесть	8-16	14	Удовлетворяет
Количество пустот в общей смеси	3-5	4,2	Удовлетворяет

На основании приведенных выше результатов выбирается оптимальное содержание битума, которое составляет 6,7%. Недостатком второго метода, используемого для определения оптимального содержания битума, является то, что не для всех смесей можно построить графики такого типа, как на рисунке 4-24. В действительности, некоторые смеси содержат от 75 до 100% раздробленных компонентов и кривая плотности у них не достигает пика, что делает невозможным применение второго метода.