Метод составления смесей по Маршаллу

В работах (5) и (6) подробно излагается развитие метода Маршалла.

Самая ранняя версия этого метода была разработана Брюсом Маршаллом в департаменте магистралей штата Миссисипи в 1939 году. В 1943 году инженерный корпус Экспериментальной станции водных путей сообщений (WES) начал исследования с целью создания простого переносного устройства, обеспечивающего составление асфальтобетонных смесей для покрытий аэродромов. Первичным толчком для этой работы послужило увеличение нагрузки на колеса самолетов во время Второй мировой войны. Увеличилось также давление в шинах и, соответственно, контактные давления, что требовало разработки метода составления смесей, способных выдерживать возросшие нагрузки. В корпусе начали экспериментировать с аппаратом Маршалла, проведя ряд лабораторных и полевых испытаний. Смеси составлялись в лаборатории с использованием различных способов уплотнения для получения в лабораторных условиях плотностей, аналогичных тем, какие создаются при строительстве, при этом моделировались реальные нагрузки от самолетов. Лабораторные уплотнительные устройства включали разного рода падающие грузы; при этом экспериментировали с различными сочетаниями и количествами ударов и/или сжимающих нагрузок на каждую сторону; применялись разные по форме и размерам конструкции трамбовок; использовались формы из разных материалов и с разными контурами основания.

Одной из целей этого исследования лабораторного уплотнения была разработка простого, требующего минимума усилий и затрат времени, способа подготовки образцов, который тем не менее давал бы основу для выбора оптимального содержания битума. Кроме того, желательно было создать переносное устройство, которое можно было бы вывозить на место строительства для контроля качества покрытия. По результатам этих исследований был выбран 10-фунтовый (4,54 кг) молот с диаметром основания 3 7/8 дюйма (98,4 мм), а в качестве стандарта уплотнения были приняты 50 ударов на каждую сторону образца.

Тестовые участки, обкатанные при нагрузках и давлении шин 66,7 кН (345кПа), 164,4 кН (759 кПа) и 266,7 кН (1379 кПа) до 3500 раз, не показали значимого увеличения плотности после обкатки, независимо от нагрузки на колесо. По результатам испытаний, проведенных на натурных образцах, в качестве критериев для составления смесей были установлены следующие предельные значения:

Ударные критерии Маршалла для смесей покрытий (5)

В конце 1940-х – начале 1950-х годов размеры и вес самолетов продолжали расти, что вызвало увеличение давления шин до 1380 кПа для сохранения примерно тех же размеров шасси и шин. Это увеличение давления в шинах значительно увеличило приповерхностные сжимающие транспортные нагрузки. Корпус WES начал исследование, имевшее целью определить, какие лабораторные уплотнения требуются для моделирования создаваемых транспортными нагрузками плотностей, как модифицировать методику составления смесей, рассчитанную на низкие давления, и каковы должны быть критерии контроля качества. Исходные полномасштабные тестовые участки были обкатаны нагрузкой на колесо 133,3 кН при давлении в шинах 1380 кПа, при этом отслеживалось поведение покрытия.

Хотя под нагрузкой от шин высокого давления поверхностная плотность продолжала расти, замеры поверхностной колеи оказались искажены в результате разрушения подповерхностного слоя битумного вяжущего. По результатам натурных исследований и исследований лабораторного уплотнения были приняты следующие критерии для шин высокого давления (1380 кПа), учитывающие подгонку стабильности и течения на базе результатов испытаний по обкатке поверхности, а также модификации лабораторного уплотнения:

Исходные критерии для шин высокого давления 75-ударные критерии Маршалла для HMA-смесей покрытий (5)

Кроме выработки критериев для шин высокого давления в 1950-х годах, корпус WES отметил наличие эксплуатационных дефектов покрытия, в частности, наличие колеи, на многих дорогах. Исследование таких поврежденных колеей покрытий выявило наличие больших количеств природного песка в смесях. Предпринятые усилия по сокращению использования природного песка привели к увеличению стабильности по Маршаллу до 8000 Н и впоследствии к ограничению допустимых количеств природного песка, используемого для покрытий аэродромов. Исходно предельное значение составляло 10 % природного песка от общего количества заполнителя, но позднее оно было увеличено до 15 %.

Резюмируя историю разработки и развития метода Маршалла, Уайт (5) делает вывод о первостепенном влиянии двух факторов на составление и функционирование смесей HMA: содержания битума и плотности. Для практики существенно максимально подходящее содержание битума при плотности, достигнутой под воздействием транспорта. В лаборатории же существенную роль играет выбор способа уплотнения, моделирующего плотность, создаваемую транспортной нагрузкой, а затем – выбор техсвойств-индикаторов, средние значения которых могут дать требуемое для хороших эксплуатационных характеристик содержание битума.

Как представляется, развитие метода Маршалла показывает, что критическим фактором является соответствие плотности, возникающей под транспортной нагрузкой, и плотности, создаваемой выбранной методикой лабораторного уплотнения. При изменении натурных условий вследствие изменившейся транспортной нагрузки WES, отслеживая натурные условия, модифицировал процедуру лабораторного уплотнения так, чтобы она давала плотности, аналогичные создаваемым транспортной нагрузкой. Таким образом, движущей силой совершенствования метода Маршалла были изменения натурных плотностей, вызванные изменениями транспортной нагрузки.

Приложение этого принципа эмпирического составления смесей к практике сооружения магистральных покрытий показывает важность определения плотности, создаваемой транспортной нагрузкой, перед внесением изменений в лабораторную методику. Надлежащие изменения в эту методику можно внести, только зная натурные условия, так как лабораторные должны их моделировать. На рисунке 4-1 показаны штаты, применяющие различные методы составления смесей, по данным обзора 1984 года (1). Заметьте, что 38 штатов применяют различные версии метода Маршалла, в то время как методом Хвима пользуются в 10 штатах.

Рис. 4-1. Методы составления смесей HMA, применяемые в штатах США (1)

Кендал и Келер (1) обсуждают ряд факторов, существенно влияющих на результаты испытаний образцов, подготовленных на различных молотах и испытанных разрушающими головками с различной геометрией нижнего внутреннего угла заостренного сегмента разрушающей головки. Вследствие различия методик определения оптимального содержания битума, принятых в разных штатах, можно ожидать значительных различий результатов, полученных на одном и том же материале в разных штатах, если провести в них уплотнение, испытания и определение оптимального содержания битума.