Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США по методу СУПЕРПЕЙВ

I. Изучение поведения асфальтобетонных покрытий

1.1. Усилия американских инженеров-дорожников направлены на предотвращение трех главных видов разрушений покрытий:

- остаточных деформаций в виде колеи, возникающих, главным образом летом (см. рис.1);

Рис.1. Колея на поверхности покрытия

А - колея, обусловленная недостаточной толщиной дорожной одежды и непрочным земляным полотном или основанием дорожной одежды; под действием повторных нагрузок поверхность покрытия опустилась так же, как поверхность основания или земляного полотна.
Б - колея, обусловленная недостаточным сопротивлением асфальтобетона действиям повторных нагрузок в жаркое время года; под "полосой наката" покрытие опустилось, а в стороне от неё - поднялось.
1 - дорожная одежда; 2 - земляное полотно; 3 - первоначальная поверхность покрытия.

- пересекающихся "усталостных трещин" в покрытии, образующихся от действия повторных нагрузок, в основном, весной и осенью, когда земляное полотно сильно увлажнено (см. рис.2);

- "низкотемпературных" поперечных трещин, возникающих при сильном охлаждении покрытия (см. рис.2).

Рис.2. Усталостные и температурные трещины на дороге местного значения

Пересекающиеся усталостные трещины по полосам наката на промежуточной стадии формирования сетки "крокодилова кожа", когда поперечные трещины уже связаны с продольными, но ещё не образуют замкнутых многоугольников; поперечные и низкотемпературные трещины пересекают всю или почти всю проезжую часть; трещины залиты горячим вязким битумом.

II. Методы проектирования состава асфальтобетона

Метод Хвима

2.1. В 1930-1950 годах в Калифорнии под руководством Ф.Хвима был разработан метод проектирования состава асфальтобетона. Основная концепция метода состояла в следующем:

- смесь должна содержать достаточно много битума с учетом адсорбции его части открытыми порами на поверхности минеральных зерен, чтобы все минеральные зерна были им покрыты;

- битума должно быть достаточно для обеспечения долговечности покрытия при окислительном старении и увлажнении;

- плотный зерновой состав без чрезмерного содержания мелких частиц должен обеспечивать высокое внутреннее трение и размещение достаточно большого объема битума, при этом объем воздушных пор должен быть не менее 3% (обычно 3-5%);

- асфальтобетон должен быть устойчивым к воздействию транспортных нагрузок при высокой температуре.

2.1.2. Одним предложением всю "философию" метода Ф.Хвима можно выразить следующим образом: смесь должна содержать как можно больше битума, чтобы была обеспечена ее долговечность, но не чрезмерно много, чтобы сохранялась ее устойчивость к образованию колеи. Метод состоит из нескольких последовательных этапов.

2.1.3. На первом этапе для заданного зернового состава каменного материала определяется приближенное содержание битума. При этом руководствуются расчетом удельной поверхности каменного материала и экспериментально найденным центрифуговым керосиновым эквивалентом (Centrifuge Kerosene Equivalent test - сокращенно CKE).

Ф.Хвим полагал, что битума должно быть достаточно, чтобы покрыть поверхность всех минеральных зерен пленкой определенной толщины, необходимой (с современной точки зрения) для обеспечения стабильности его свойств при старении, а также чтобы битум мог служить в качестве "смазки" при уплотнении смеси с целью уменьшения трения между частицами. Тогда необходимый объем битума может быть найден как произведение площади поверхности минеральных зерен на толщину пленки.

Для этого нужно знать удельную поверхность различных фракций каменного материала. Удельная поверхность - это отношение площади поверхности частиц к их объему либо к их весу. Хвим использовал отношение к весу для плотности камня 2,65 г/см. Удельную поверхность минерального материала рассчитывают как сумму произведений "проходов" через стандартные сита на соответствующие этим ситам коэффициенты удельной поверхности, предложенные Ф.Хвимом.

Ф.Хвим при расчете поверхности считал зерна гладкими и шарообразными. Чтобы учесть их шероховатость, неправильность формы и способность к адсорбции части вяжущего, он разработал эксперимент по определению СКЕ. Минеральный материал, прошедший сито с отверстиями 4,76 мм, в рыхлом состоянии насыщают керосином, а затем подвергают центрифугированию в течение двух минут при скорости вращения, дающей центробежную силу, превышающую силу тяжести в 400 раз. Масса оставшегося керосина, выраженная в процентах (по массе) сухого минерального материала, и есть показатель керосинового эквивалента СКЕ.

Рассчитав удельную поверхность каменного материала и экспериментально определив керосиновый эквивалент, находят приближенное содержание битума ААС (approximate asphalt content).

Каким же минимальным размером частиц ограничился Хвим? Это не совсем ясно, поскольку последний коэффициент удельной поверхности дан для частиц диаметром меньше 0,075 мм, и он равен 33 м/кг. В то же время фактически измеренная удельная поверхность таких частиц, например для портландцемента, имеет порядок 100-1000 м/кг. Имеются и другие неясности. Так, Ф.Хвим первоначально принимал толщину пленки одинаковой для частиц различного диаметра, но впоследствии пришел к выводу, что с уменьшением диаметра зерна толщина пленки уменьшается, однако на значениях коэффициентов удельной поверхности это не отразилось. С другой стороны, можно ли считать пленкой битумную оболочку, толщина которой во много раз больше диаметра зерна? Такое зерно естественнее рассматривать как погруженное в битум.