Разработка модифицированных процедур Маршалла

В 1969 г. Департамент транспорта штата Пенсильвания провел исследование по разработке оборудования и процедур тестирования образцов диаметром 6" (150 мм) на пригодность для использования в составе связующего и базового слоев из HMA, содержащих заполнитель с максимальным размером частиц 1½" –2" (38–51 мм) (17).

Номинальная высота образцов диаметром 6" (150 мм) была доведена до 3 ¾" (95 мм), что позволило достичь того же отношения диаметр:высота, что и для образцов диаметром 4" (100 мм) и высотой 2½" (63,5 мм). Вес уплотняющего молота был увеличен от 10 до 22,5 фунтов (от 4,5 до 10,2 кг) пропорционально возросшей торцевой площади образца. Заглубление молота поддерживалось на уровне 18" (457 мм); соответственно, для уплотнения образцов диаметром 6" (150 мм) можно было использовать тот же механический уплотнитель, который служил для уплотнения образцов диаметром 4" (100 мм). Число ударов с каждой стороны, необходимых для уплотнения образцов диаметром 6" (150 мм), на 50 % превышает таковое для образцов диаметром 4" (100 мм). За счет увеличения веса молота и числа ударов для образцов диаметром 6" (150 мм) достигается та же величина энергии уплотнения на единицу объема, что и для обычно уплотняемых образцов диаметром 4" (100 мм). В результате плотности образцов диаметром 6" и 4" (150 и 100 мм) оказываются примерно одинаковыми. Модифицированная процедура Маршалла была включена в Метод 705 тестирования для штата Пенсильвания (18). Подробное описание процедур тестирования, а также оборудования (формы, молота и отбойной головки) можно найти в (19). Предложенный стандарт (в настоящее время принятый по системе ASTM как D5581–96), по существу, соответствует ASTM D1559–82 (20), который ориентирован на образцы диаметром 4" (100 мм), за исключением следующих существенных отличий:

1. Предусмотрены форма в сборе и отбойная головка для образцов диаметром 6" (150 мм).

2. Так как вес молота равен 22,5 фунтам (10,2 кг), то допускается использование только молота с механическим приводом

3. Для приготовления 6-дюймового (150-мм) образца Маршалла необходимо около 4050 г смеси против ~1200 г для 4-дюймового (100-мм) образца.

4. Смесь помещают в форму в два приема, приблизительно одинаковыми порциями; после введения каждой порции смесь следует перелопатить. Как показывает опыт, следует избегать образования ячеистых структур на наружной поверхности образца и доводить смесь до желаемой плотности.

5. Для достижения той же степени уплотнения при заданном объеме материала в случае образцов диаметром 6" (150 мм) и высотой 3¾" (95 мм) необходимо произвести в 1½ раза больше ударов, чем для образцов диаметром 4" (100 мм) и высотой 2½" (63,5 мм).

В связи с тем, что вес молота составляет 22,5 фунта (10,2 кг), а число ударов с каждой стороны – 75 или 112 в зависимости от ожидаемой интенсивности транспортного потока, наблюдается некоторое измельчение заполнителя на поверхности. Однако считается, что этот незначительный эффект оказывает минимальное воздействие на свойства в рамках системы Маршалла.

Анализ сравнительных данных

Сравнение данных для 4-дюймовых (100-мм) и 6-дюймовых (150-мм) образцов, полученных различными дорожными агентствами дорог и различными производителями, показало, что степени уплотнения, достигаемые с применением 4-дюймовых (100-мм) и 6-дюймовых (150-мм) форм (при выборе соответствующего типа молота и числа ударов) достаточно близки (21). Как и следовало ожидать, воспроизводимость в тестах на устойчивость и текучесть значительно выше в том случае, когда для получения смесей, включающих крупные каменные материалы, используется образцы диаметром 6" (150 мм). Следовательно, именно эти образцы следует использовать для проектирования смесей, включающих крупные каменные материалы.

Для более крупнозернистых образцов можно ожидать более высоких значений устойчивости и текучести, что предопределило необходимость оценить отношение устойчивости образцов диаметром 6" (150 мм) к устойчивости образцов 4" (100 мм) и отношение текучестей тех же самых образцов. Это позволяет вывести минимальные значения устойчивости и максимальные значения текучести для 6-дюймовых (150-мм) образцов, исходя из соответствующих величин для 4-дюймовых (100-мм) образцов.

В таблице 7–3 приведены величины отношений устойчивостей и текучестей, полученные различными агентствами и производителями для смесей, включающих крупные каменные материалы, которые использовались в базовых или связующих слоях (максимальный размер частиц заполнителя – 1½" – 2", или 38–51 мм). Усредненные (из 11 величин) значения отношений устойчивостей и текучестей составляют 2,18 и 1,44, соответственно. Эти измеренные величины близки выведенным значениям (см. последующие разделы).

С теоретической точки зрения, внешняя нагрузка, приложенная к окружности цилиндра, действует непосредственно на поперечное сечение цилиндра. Это позволяет рассчитать напряжение в фунтах на квадратный дюйм. Стандартный образец диаметром 6" (150 мм) имеет высоту 3¾", что дает поперечное сечение 22,5 кв. дюйма. Стандартные образцы диаметром 4" (100 мм) имеют высоту 2½" и поперечное сечение 10,0 кв. дюйма (6450 мм²). Таким образом, из величины единичного усилия следует, что общая нагрузка на 6-дюймовые (150-мм) образцы должна быть в 2,25 раза выше, чем на 4-дюймовые (100-мм) в той же смеси. Следовательно, отношение устойчивостей составит 2,25.

Данные измерения текучести с помощью тест-машины характеризуют общее движение отбойной головки к точке максимальной устойчивости. Если рассматривать текучесть в расчете на единицу длины (число дюймов на дюйм диаметра), то величина текучести для образцов диаметром 6" (150 мм) оказывается в 1,5 раза выше, чем для 4-дюймовых (100-мм) образцов. Отсюда отношение для текучести должно составлять 1,5.

Таблица 7-3. Отношения устойчивостей и текучестей для смесей, включающих крупные каменные материалы

Агентство

(год получения данных)

Число ударов

Соотношение

4" 6 " устойчивостей текучестей Департамент транспорта штата Пенсильвания (1969 г.) 50 75 2,12 1,62 Департамент транспорта штата Пенсильвания (1970 г.) 50 75 2,81 1,15 Департамент транспорта штата Пенсильвания (1988 г.) 50 75 1,95 1,39 Департамент транспорта штата Пенсильвания (1988 г.) 50 75 2,17 1,58 Департамент транспорта штата Пенсильвания (1989 г.) 50 75 1,68 1,40 Jamestown Macadam Inc. (1989 г.) 50 75 1,89 1,24 Дорожный департамент штата Кентукки (1988 г.)* 75 112 2,08 1,34 American Asphalt Paving Co. (1989)* 75 112 2,37 1,63 American Asphalt Paving Co. (1989)* 75 112 2,58 1,52 American Asphalt Paving Co. (1989)* 75 112 1,98 1,68 American Asphalt Paving Co. (1989)* 75 112 2,40 1,27

№ смесей (N)

11 11

Среднее значение

2,18 1,44

Стандартное отклонение

0,33 0,18

* Примечание. Средние значения отношений устойчивостей и текучестей для пяти смесей, уплотненных 75/112 ударами, составляют 2,28 и 1,49, соответственно.

Средние значения отношений устойчивости и текучести для образцов, уплотненных посредством 75 и 112 ударов [формы на 4" (100 мм) и 6" (150 мм), соответственно], составляют 2,28 и 1,49, соответственно, что очень близко к теоретическим значениям – 2,25 и 1,50, соответственно.

Рекомендуемая минимальная устойчивость по Маршаллу для 6-дюймовых (150-мм) образцов должна в 2,25 раз превышать величину для 4-дюймовых (100-мм) образцов. Так, например, в настоящее время ASTM D1559 установил минимальную устойчивость на уровне 1000 фунтов (4500 Н) [для 4-дюймовых (100-мм) образцов)]. Тогда в случае 6-дюймовых (150-мм) образцов при использовании прибора Маршалла для смесей, включающих крупные каменные материалы, этот параметр следует установить на уровне 2250 фунтов (10125 Н). Аналогичным образом, границы диапазонов для величин текучести в случае 6-дюймовых (150-мм) образцов следует установить на уровне, в 1½ раза превышающем таковой для 4-дюймовых (100-мм) образцов. Например, если для 4-дюймовых (100-мм) образцов установлен диапазон 8–18, то для 6-дюймовых (150-мм) образцов он должен составить 12–27.