Наряду с уплотняемостью, выделяются другие важные технологические свойства асфальтобетона: удобоукладываемость и сегрегируемость. Они упоминаются в российских ГОСТах, но нормативных методов их измерения пока нет. Но существуют разные экспериментальные подходы, которые используются при лабораторных испытаниях АБС в разных странах. Они позволяют проектировать составы с хорошими показателями уплотняемости для дорожных работ.
Здесь мы рассмотрим четыре таких метода:
- Коэффициент уплотняемости И. В. Королева
- Коэффициент наклона кривой уплотнения
- Температурный коэффициент GR
- Индекс энергии уплотнения CEI
Сразу отметим, что последние три метода испытаний были разработаны в США. Они подразумевают использование специальной установки – гираторного компактора. Это довольно дорогостоящее оборудование, которое есть далеко не во всех российских лабораториях. Так что в России эти способы применяются реже, хотя дают более объективный результат.
Теперь давайте поговорим о том, на каких принципах базируются методы оценки уплотняемости и чем они отличаются друг от друга.
Коэффициент уплотняемости И. В. Королева
Это достаточно простой метод оценки, разработанный И. В. Королевым в ходе исследования теплых асфальтобетонных смесей. Он используется для измерения того, как понижение температуры влияет на эффективность уплотнения АБС.
Расчеты осуществляются таким образом:
- Изготавливается АБС заданного состава в количестве, достаточном для приготовления двух образцов.
- Один образец смеси формуется в гидравлическом прессе под давлением 40 МПа в течение 90 с при рекомендуемой для этого состава температуре уплотнения.
- Второй образец смеси охлаждается до минимально возможной температуры уплотнения и также формуется под давлением 40 Мпа в течение 90 с.
- Для каждого образца рассчитывается его средняя плотность ρm по формуле:
5. На основании полученных данных рассчитывается коэффициент уплотняемости Kупл по следующей формуле:
Этот метод традиционно используется для сравнения разных составов и оценки влияния различных добавок на уплотняемость смеси. В последнем случае коэффициент уплотняемости рассчитывается отдельно для базового состава и для модифицированной смеси. Затем показатели сравниваются, и на основании этого делается вывод о том, насколько оправдано использование добавки.
У этой методики есть два минуса:
- Она не дает полного понимания того, как будет вести себя смесь при укатке
- Образцы уплотняются с использованием гидравлического пресса, который оказывает на образец только вертикальную нагрузку
В современных исследованиях предпочтение отдается уплотнению в гираторном компакторе, который имитирует реальное воздействие дорожного катка и транспорта на материал.
Коэффициент наклона кривой уплотнения
Прежде чем мы перейдем к обсуждению дальнейших методов испытаний, давайте немного остановимся на предпосылках их появления – а именно, системе Superpave («Суперпейв»).
Superpave – это комплексная система проектирования рецептуры АБС, которая учитывает целый ряд условий эксплуатации дорожного покрытия: климатические условия, уровень нагрузки, интенсивность движения и его характер.
Она состоит из двух частей:
- Требования к качеству минерального наполнителя и битума
- Метод подбора оптимального состава асфальта с учетом условий его эксплуатации
Система Superpave была разработана в США в конце XX века. В России применять ее в полной мере невозможно. Слишком сильно существующие у нас ГОСТы отличаются от американских. Но элементы этого подхода успешно адаптируются отдельными строительными компаниями и исследовательскими лабораториями. К таким заимствованиям относятся и испытания уплотняемости.
В рамках этой системы оценка физико-механических свойств асфальта подразумевает уплотнение образцов в гираторном компакторе – или просто гираторе.
Предлагаются такие требования к уплотнению материала исходя из особенностей его эксплуатации:
Изначально эти требования разрабатывались с опорой на американскую классификацию дорог, но для вашего удобства мы приводим версию, адаптированную под российские ГОСТы.
Количество вращений гиратора интерпретируется так:
- Nнач – число оборотов, при котором достигается предварительное уплотнение асфальта (соответствует уплотнению асфальтоукладчиком)
- Nпр – число оборотов, при котором смесь должна содержать 4% воздушных пустот (соответствует уплотнению катками)
- Nмакс – предельно допустимое число оборотов
В начале 2000-х был предложен способ оценки устойчивости асфальта к колееобразованию посредством его испытания на гираторе. Он получил название «коэффициент наклона кривой уплотнения».
Почему же мы упоминаем его здесь, если он используется для оценки совсем другого свойства? Дело в том, что между уплотняемостью АБС и ее склонностью к колееобразованию есть взаимосвязь. Предполагается, что если смесь легко сминается и деформируется под давлением от катка, то такой же пластичной она будет в готовом покрытии. Значит, под колесами транспорта в ней будут появляться колеи.
Высчитывают коэффициент таким образом:
1. Из массы АБС отбирают материал для изготовления двух образцов. Один из них будет использован для расчета максимальной плотности асфальта, второй – в испытаниях на гираторе.
2. Для первого образца высчитывают максимальную плотность (без учета воздушных пустот) по ГОСТ Р 58401.16-2019.
3. Вторую пробу АБС загружают в гиратор в соответствии с инструкцией и начинают уплотнять. При количестве оборотов Nнач и Nпр (они выбираются в соответствии с приведенной выше таблицей) замеряется фактическая плотность образца.
4. Для числа оборотов Nнач и Nпр определяется относительная плотность (Gнач, Gпр), которая высчитывается по формуле:
5. На основании данных об относительной плотности высчитывается комплексный коэффициент уплотняемости K по формуле:
6. Для более точной оценки поведения смеси предлагается использовать произведение коэффициента K и значения остаточной пористости Va в образце при Nпр.
Полученный результат интерпретируется таким образом: чем выше значение произведения, полученного в пункте 6, тем более устойчив асфальт к деформациям – соответственно, тем более жесткой и менее уплотняемой является смесь.
В России исследованиями уплотняемости асфальта, среди прочих, занимается компания АО «ВАД». В 2013 году они опубликовали исследование, в котором было приведено сравнение нескольких составов АБС по значению коэффициента уплотнения.
Результаты исследования приведены в таблице (проектное число оборотов гиратора – 120):
Отсюда видно, что уплотняемость асфальта растет по мере уменьшения содержания щебня и увеличения доли минерального порошка.
Минус этого метода состоит в том, что он, по сути, используется для оценки пластичности АБС в целом. То есть он не делает никакой разницы между уплотнением асфальта во время укладки и его деформацией в ходе эксплуатации. Также с его помощью нельзя оценить изменение уплотняемости по мере охлаждения смеси.
Эти недостатки были решены в новых методах испытаний, которые мы рассмотрим следующими.
Температурный коэффициент GR
Этот метод был впервые описан в 714-м отчете американской Национальной программы исследования автодорог (NCHRP). Как и коэффициент И. В. Королева, он был впервые применен для исследования теплых АБС.
Процедура выглядит следующим образом:
- Производится определенное количество АБС, которое затем разделяется на пять проб: четыре для испытания на гираторе и одна – для измерения максимальной плотности.
- Определяется максимальная плотность смеси – масса единицы объема материала без учета воздушных пустот.
- Два образца уплотняются на гираторе при запланированной температуре уплотнения до проектного числа оборотов (смотрите таблицу в предыдущем подразделе). Для образцов автоматически фиксируется высота после каждого вращения.
- Оставшиеся два образца охлаждаются до температуры на 30°C ниже температуры уплотнения, затем также уплотняются на гираторе до заданного числа оборотов. Для образцов автоматически фиксируется высота после каждого вращения.
- Для всех 4 образцов определяется объемная плотность – с учетом оставшихся в материале воздушных пустот.
- Затем определяется относительная плотность образцов при заданном количестве оборотов гиратора. Она рассчитывается как отношение фактической объемной плотности к максимальной и выражается в процентах.
- Для каждого образца определяют высоту при относительной плотности 92% по следующему уравнению:
8. Для каждого образца определяется, сколько оборотов необходимо для достижения относительной плотности 92,0%. Для этого просматривают данные гиратора, который фиксировал высоту образца после каждого оборота, и ищут, в какой момент она была равна значению h92, полученному в пункте 7.
9. Определяется температурный коэффициент уплотняемости (гираторный коэффициент) GR по следующему уравнению:
Получившееся число – это и есть показатель уплотняемости (формуемости) АБС. Свойство считается приемлемым, если коэффициент не превышает 1,25. Это значит, что для уплотнения смеси при пониженной температуре нужно увеличить количество оборотов гиратора всего на 25% или меньше.
Индекс энергии уплотнения (CEI)
Этот метод был разработан Хусейном Бахия, директором Центра исследования модифицированных вяжущих (США).
В его рамках отдельно рассматриваются два этапа уплотнения асфальта:
- Технологический: уплотнение до заданной относительной плотности (она принимается за 92% — это минимально приемлемая степень уплотнения асфальта на дороге)
- Эксплуатационный: последующее уплотнение
Соответственно, показатель уплотняемости на технологическом этапе показывает, насколько легко АБС принимает нужную форму под давлением от катка. На эксплуатационном – как быстро она деформируется под колесами транспорта.
Процедура оценки выглядит таким образом:
- Из приготовленной АБС отбираются две пробы: одна для вычисления максимальной плотности, вторая – для испытаний на гираторе.
- Вычисляется максимальная плотность первого образца.
- Второй образец уплотняется в гираторе. При этом после каждого оборота фиксируется его объемная плотность, и на основании этого определяется относительная плотность – отношение объемной плотности к максимальной. Она выражается в процентах.
- Строится график, на котором по оси x откладывается число оборотов гиратора, а по оси y – значения относительной плотности образца. Строится кривая уплотнения.
- Определяется индекс энергии уплотнения (Compaction Energy Index – CEI), который рассчитывается как площадь под кривой на графике. Для этого используется следующая формула:
Сравнения легко- и тяжелоуплотняемых смесей по индексу CEI позволили ученым пересмотреть первоначальный взгляд на оценку этого свойства. Считалось, что чем легче смесь уплотняется в ходе укладки, тем больше покрытие из нее деформируется в ходе эксплуатации.
Однако результаты одного из экспериментов показали следующее:
- Легкоуплотняемая смесь быстро набирает относительную плотность 92%, но впоследствии становится более жесткой и устойчивой к деформации
- Тяжелоуплотняемая смесь медленно набирает относительную плотность 92%, но впоследствии продолжает уплотняться практически с той же скоростью
Естественно, это еще не дает основания говорить, что такое соотношение будет справедливо абсолютно для всех АБС. Но можно уже сделать вывод, что повышение уплотняемости необязательно приведет к ухудшению свойства асфальта.
Итак, мы рассмотрели разные методы оценки уплотняемости, которые фокусируются на разных аспектах этого сложного свойства.
Наиболее важными из них являются:
- Температурный коэффициент GR, который показывает зависимость уплотняемости смеси от ее температуры
- Индекс энергии уплотнения CEI, который позволяет оценить уплотняемость смеси отдельно на технологическом и эксплуатационном этапах
Специалисты российской компании АО «ВАД» также предлагают свой собственный метод оценки АБС, который комбинирует оба обозначенных выше показателя. Это температурный коэффициент GRCEI.
Он рассчитывается по следующей формуле:
Таким образом, этот комплексный коэффициент уплотняемости позволяет оценить ее пластичность как в нормальных условиях, так и при низких температурах. Этот показатель можно в дальнейшем использовать для классификации смесей.
Полную версию данной статьи вы найдете на нашей странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#асфальт #асфальтобетон #асфальтовое покрытие #асфальтобетонное покрытие #асфальтированное покрытие #уплотняемость асфальта #формуемость асфальта #полезные советы #уплотняемость #формуемость
