Проблемы проектирования смесей

Проектирование штабелируемых смесей для ямочного ремонта асфальтовых покрытий представляет собой сложную задачу, так как требования, касающиеся штабелирования материалов и обращения с ними, противоположны требованиям, касающихся их эксплуатационных характеристик после внесения в выбоину (25). Ниже перечисляются некоторые их этих противоположных требований:

1. Гранулометрический состав заполнителя.

Высокая удобообрабатываемость смеси требует прерывистого гранулометрического состава заполнителя, но после укладки смеси градация должна более плотной для повышения устойчивости и долговечности смеси.

2. Форма частиц заполнителя

Для обеспечения высокой удобообрабатываемости заполнитель не должен содержать неокатанных частиц. Однако после укладки смеси желательна высокая неокатанность частиц как предпосылка для более высокой устойчивости смеси.

3. Вязкость вяжущего материала

Для обеспечения сохраняемости и удобообрабатываемости желательна низкая вязкость вяжущего вещества, а после укладки и уплотнения –  более высокая вязкость, что обеспечит более высокую когезию и устойчивость смеси.

4. Содержание вяжущего материала

Повышенное содержание остаточного битума в смеси желательно для получения более толстых битумных пленок на заполнителе, что обеспечит клейкость и долговечность смеси. Однако остаточное содержание битума должно находиться в определенных пределах во избежание стекания вяжущего материала в штабеле сразу после складирования еще горячей смеси. Кроме того, при высоком содержании вяжущего материала смесь может оказаться неустойчивой.

Определенные проблемы могут также возникнуть при применении заполнителей, обладающих высокой абсорбционной способностью. Высокое содержание влаги в таких заполнителях часто вызывает отслаивание вяжущего и/или его стекание в штабеле. Из-за избирательной абсорбции заполнителем более легких фракций асфальтовяжущего битумная пленка приобретает нежелательные свойства и по своим характеристикам существенно отличается от исходного асфальтовяжущего материала.

В данном случае неприменимы традиционные методы проектирования HMA (например, метод Маршалл, метод Хвима и т.д.). Это объясняется не только сложностями при подготовке и тестировании образцов, но и отсутствием критериев для проектирования штабелируемых смесей для ямочного ремонта асфальтовых покрытий.

Новые концепции

В прошлом приветствовалось использование более крупнозернистого заполнителя (½"–¾" или 12–19 мм) для штабелируемой смеси как средства повышения устойчивости смеси. Такая смесь может с успехом применяться в случае идеальной технологии ямочного ремонта асфальтовых покрытий (с созданием вертикальных бортов, очисткой, применением протравки и адекватным уплотнением). Однако идеальные технологии используются далеко не всегда, и для покрытий из смесей, включающих более крупнозернистые заполнители, наблюдается преждевременное шелушение в условиях транспортных нагрузок, что приводит к разрушению заплаты. В рамках одной из новых концепций игнорируется фактор устойчивости и предполагается, что смесь должна содержать более мелкозернистый заполнитель и быть более пластичной, что сделает ее менее чувствительной к различного рода нарушениям при укладке и эксплуатации в условиях дорожного движения. Такая смесь, включающая более мелкозернистый заполнитель, должна быть устойчивой при укладке на глубину менее 3" (46 мм) одним слоем на ограниченную площадь. В случае более глубоких и/или более широких ям смесь следует уплотнять послойно.

Когезионные и адгезионные свойства смеси определяются, главным образом, составом строительного раствора (асфальтовяжущее плюс мелкие фракции). При избытке мелких фракций или пыли [материала, просеивающегося через сито № 200 (0,075 мм)] раствор получается бедным, менее клейким, рыхлым. Не случайно большинство дорогих коммерческих продуктов для ямочного ремонта асфальтовых покрытий изготавливается из чистого (без примесей) камня. Был проведен ряд испытаний методом экстракции, которые показали, что доля мелких фракций (минус фракция № 200) в таких продуктах, как правило, составляет менее 1%. В отсутствие избыточного количества мелких фракций смеси получаются очень клейкими и липучими, что исключает необходимость протравки выбоины. Именно из-за избытка мелких фракций многие традиционно применяемые штабелируемые смеси оказываются неэффективными для ямочного ремонта асфальтовых покрытий. Такие смеси получаются матовыми, рыхлыми и лишенными когезионных и адгезионных свойств.

Усовершенствованные составы

В контексте обсуждения самой проблемы и новых концепций проектирования экономичных штабелируемых смесей для ямочного ремонта асфальтовых покрытий, обладающих удовлетворительными свойствами, желательными представляются следующие характеристики смесей (25):

Таблица 7-4. Рекомендуемый состав штабелируемых смесей для ямочного ремонта асфальтовых покрытий

Размер отверстий сита	Процентное содержание просеивающегося материала
⅜" (9,5 мм)	100
№ 4 (4,75 мм)	85–100
№ 8 (2,36 мм)	10–40
№ 16 (1,18 мм)	0–10
№ 200 (0,075 мм)	0–2
Остаточное содержание битума, %	4,5*

* Для заполнителей, поглощающих не более 1% воды по весу.

1. Более мелкозернистый заполнитель с преобладанием частиц одного размера.

В таблице 7–4 приведен типичный гранулометрический состав смеси для ямочного ремонта асфальтовых покрытий], который с успехом применяется Государственным департаментом транспорта. В идеале должно существовать два вида смесей, каждая из которых содержит частицы только одного размера, а именно: (1) смесь заполнителей с базовым размером частиц (около ¾", или 19 мм) для ремонта более глубоких ям и (2) смесь мелкозернистых заполнителей (с размером частиц порядка ¼", или 6 мм) для ремонта менее глубоких ям или для наложения ремонтных заплат на покрытие. Однако на практике такие две разные смеси не используются, так как дорожно-эксплуатационные организации предпочитают работать с какой-то одной смесью для ямочного ремонта асфальтовых покрытий. Поэтому обычно выбирается компромиссный вариант смеси, в котором размер частиц заполнителя является промежуточным между двумя указанными величинами. Среди таких смесей можно отметить смесь с однородным гранулометрическим составом, состоящая на 100% из частиц, просеивающихся черед сито с размером отверстий ⅜" (9,5 мм), которая обладает следующими преимуществами:

a) Смесь обладает пластичностью и удобообрабатываемостью.

b) Из-за повышенного показателя VMA в смесь можно ввести большее количество асфальтовяжущего, что будет способствовать повышению ее долговечности.

c) Смесь остается пластичной в течение продолжительного периода времени, продолжает легко уплотняться в условиях дорожного движения и адаптируется к изменяющейся геометрии выбоины. Данная характеристика повышает ее шансы на долговечность.

2. Чистый заполнитель.

Как упоминалось выше, для придания смеси клейкости очень важно поддерживать содержание в ней пылевидных фракций (минус фракция № 200 или частицы с размером 0,075 мм) на низком уровне (менее 2%). Это в значительной степени улучшает адгизионные и когезионные свойства смеси.

3. Неокатанная (угловатая) форма частиц заполнителя.

Неокатанность частиц заполнителя важна для обеспечения более высокой устойчивости смеси для ямочного ремонта асфальтовых покрытий. В связи с использованием более мелких частиц заполнителя преимущественно одного размера влияние неокатанности частиц заполнителя на удобообрабатываемость смеси минимально. Неокатанный заполнитель из измельченного каменного материала является идеальным вариантом для смесей при ямочном ремонте асфальтовых покрытий.

4. Использование заполнителя, обладающего наихудшими абсорбционными свойствами.

Не следует использовать заполнители, обладающие хорошими абсорбционными свойствами. Влагопоглощение заполнителя не должно превышать ~1%.

5. Правильный выбор вяжущего материала.

При выборе жидкого асфальтовяжущего для штабелируемого материала, который будет использоваться для ямочного ремонта асфальтовых покрытий, следует руководствоваться  двумя критериями. Во-первых, оно должно иметь относительно низкую вязкость при низких температурах (на уровне температуры замерзания в северной части США или ниже ее), чтобы смесь была удобообрабатываемой. Во-вторых, из него не должны быстро испаряться летучие вещества, что помешало бы сохранению удобообрабатываемости смеси в течение заданного периода хранения.

Вяжущие материалы, входящие в состав штабелируемых смесей, предназначенных для ямочного ремонта асфальтовых покрытий, включают как разжиженные (жидкие) битумы, так и эмульсии. Жидкие битумы бывают  следующих марок: МС-250, МС-400, МС-800, SC-250 и SC-800. Жидкий битум с низкой вязкостью (250) предпочтителен в тех случаях, когда необходимо обеспечить б'ольшую долговечность штабеля, а также когда смесь планируется к использованию в зимний период. Жидкий битум высокой вязкости (800) используется, как правило, в осенний и весенний период. Применяются как средне-, так и медленногустеющие эмульсии. Некоторые агентства отдают предпочтение «легким» эмульсиям, обладающим более высокой удобообрабатываемостью при низких температурах (благодаря содержащимся в них более мягким остаткам [от нефтепереработки]).

6. Правильный выбор содержания вяжущего материала.

Было показано, что если влагопоглощение заполнителя в штабелируемых смесях для ямочного ремонта асфальтовых покрытий составляет менее 1%, то такие смеси должны содержать не менее 4,5% остаточного асфальтовяжущего. Если заполнитель поглощает более 1% воды, то следует повысить содержание остаточного битума на величину, эквивалентную количеству добавочно поглощенной влаги. Так, например, заполнитель, поглощающий 1,5% воды, должен содержать остаточное асфальтовяжущее в количестве не менее 5%. Фактором, лимитирующим максимальное количество асфальтовяжущего в смеси, является стекание вяжущего в штабеле сразу после производства смеси. Эту проблему можно минимизировать или полностью решить за счет использования более низких температур смешения и ограничения высоты штабеля до 4 футов в течение первых 48 часов.

7. Правильный выбор типа и количества вещества, препятствующего отслаиванию  вяжущего

Использование веществ, препятствующих отслаиванию вяжущего вещества, является очень важным элементом при подборе состава штабелируемой смеси. На штабелируемой смеси должен сохраняться поверхностный слой при воздействии неблагоприятных погодных условий, при различных манипуляциях с ней и после укладки ее выбоину. Штабелируемая смесь для ремонта асфальтовых покрытий более проницаема, чем HMA с непрерывным гранулометрическим составом заполнителя и, соответственно, должна выдерживать воздействие более суровых погодных условий и более высоких транспортных нагрузок. Она должна обладать долговечностью в неблагоприятных условиях (таких, как некачественное основание, неадекватное дренирование, повреждение смежного покрытия и т.д.), которые и становятся причиной появления выбоин. Дождь или тающий снег являются источниками воды, а пневматические шины транспортных средств создают высокие давления. Такая комбинация может привести к эмульгированию асфальтовяжущего и его смещению относительно заполнителя. Если это приведет к существенному отслаиванию вяжущего, то под воздействием транспортного потока произойдет выбивание частиц заполнителя.

На рынке промышленных средств, препятствующих отслаиванию вяжущего материала, можно найти множество веществ, предназначенных для использования в комбинации с жидкими битумами, густеющими со средней скоростью (МС). Однако многочисленные испытания показали, что не существует какой-то универсальной добавки такого назначения (25). Следовательно, важно, чтобы вещества, препятствующие отслаиванию вяжущего, и его количество выбирались после тестирования именно того заполнителя, который реально используется в соответствующей смеси.

В некоторых штатах поставщиков битума обязывают проводить «тест с влажным покрытием» (wet coating test), а также тест на статическое нагружение и тест на отслаивание с использованием рабочего заполнителя.

Штабелируемые смеси для ремонта асфальтовых покрытий с усовершенствованным составом продемонстрировали отличные эксплуатационные качества в ходе выполнения Стратегической программы исследования дорог (Strategic Highway Research Program).