gallery/лого
gallery/без названия

За последние 40 лет дорожное движение изменилось кардинально. Возросли нагрузки на ось, возрос автомобильный поток, увеличились скорости движения. Все это влечет за собой изменение методов расчета, проектирования и строительства дорог, дорого в целом начиная от основания и заканчивая верхними слоями асфальтобетонного покрытия. На нем мы и сделаем сегодня свой акцент.

Одним из немаловажных элементов асфальтобетонных покрытий является вяжущий материал, который выполняет функцию клея удерживающего основную массу каменного материала, выполняющего несущую функцию конструкции дороги. В последние годы особой популярностью пользуются смеси с жесткой каркасной структурой и минимумом вяжущего материала, что обусловливается тем, что кубовидный щебень заклиниваясь между собой создает каркас покрытия, подгонка щебнин между собой должна быть предельно плотной. Но при этом надо не забывать, что удерживает всю эту конструкцию и придает ей четкую форму именно вяжущий материал.

По данным высказанным доктором Хусейном Бахия http://uwmarc.wisc.edu/ 19.032019 в Санкт-Петербурге на конференции посвященной Superpave предел прочности на сдвиг АБС считается по формуле:

Часть 1.
Новые методы оценки вяжущих – грандиозный «распил» или жизненная необходимость.
gallery/формула

Которая представляет собой сумму допустимых напряжений вяжущего «с» и щебня «ф»

τ – предел прочности на сдвиг;

c – вклад вяжущего;

δ – допустимое напряжение;

Φ – вклад щебня;

Современные требования к сдвиговой устойчивости дорожных покрытий выдвигают новые требования к оценке качества вяжущего материала. Старые методы косвенной оценки реологии вяжущих пенетрацией, растяжимостью, эластичностью (для ПБВ) не дают понимания процессам, протекающим в дорожном покрытии при динамических нагрузках. Поэтому, 40 лет назад в США начали разрабатывать абсолютно новые подходы к проектированию дорожных одежд и особенно к оценке качества вяжущих материалов именно это направление новых стандартов претерпело самые кардинальные изменения. Т.е. был выработан, апробирован и предложен отрасли абсолютно новый метод оценки качества вяжущего материала, из которого были исключены все «старые» привычные дорожной отрасли методы оценки - пенетрация, дуктильность, эластичность (для полимер-содержащих марок), температура размягчения по кольцу и шару, низкотемпературная устойчивость по методу Фрааса. Основным критерием определения марки вяжущего материала стал рабочий температурный диапазон эксплуатации, который состоит из двух цифр (PG X – Y), где PG – оценка производительности (performance graded) Х – верхний температурный предел эксплуатации, Y – нижний температурный предел эксплуатации.

gallery/таб

                                                                       Рис. 1 Таблица распределений, вяжущих по PG (без учета нагрузочных характеристик)

  Эти значения получают различными реологическими методами измерения сдвиговой устойчивости вяжущего, а также, его прямой динамической вязкости, что напрямую связано со способностью уплотнять смесь в момент укладки. Так же появились методы оценки старения вяжущих материалов, чтобы максимально подробно спрогнозировать срок службы покрытия именно с этим вяжущим материалом. Попробуем понять, что происходит в АБ покрытии под воздействием нагрузки.

gallery/колесо

 

            На Рис. 2 предположительная схема, показывающая как распределяется нагрузка, возникающая в слое асфальтобетона при воздействии на него динамической нагрузки проезжающего автомобиля. Данная картинка лучше бы смотрелась в трехмерном виде, т.к. распределение нагрузки трехмерно, но изобразить это на плоскости крайне сложно. И так щебень под воздействием нагрузки начинает смещаться относительно друг друга в каких-то гипотетических точках соприкосновения и в объеме в целом. Удержать каркас щебня, не дать ему расползтись и есть задача вяжущего материала. Т.е. вяжущий материал должен обладать, по мимо хорошей адгезии, еще и хорошей сдвиговой устойчивостью, чтобы как раз в момент возникновения сдвиговых напряжений между каменным материалом покрытия, обеспечивать максимальную устойчивость к этим напряжениям.

            Разработчиками Superpave было выработано следующее решение для оценки сложных реологических свойств вяжущих – «Реометр динамического сдвига» (Dynamic Shear Rheometer или DSR). Данный метод показывает комплексный модуль сдвига (G*) вяжущего и угол сдвига фаз (sin δ) в различных диапазонах температур и частот. Надо отметить, что оборудование для измерения данного параметра полностью автоматизировано. И проведение теста сводиться просто к подготовке образца и снятию результатов с экрана компьютера. Прибор работает в широком диапазоне температур с интервалом в 60С. В приборе создается «цилиндр» из вяжущего размерами, соответственно:

•          8 мм диаметром и 2 мм высотой – для испытаний при температуре 10÷46°C,

•          25 мм диаметром и 1 мм высотой – для испытаний при температуре 46÷82°C.

подвергается в реометре динамического сдвига DSR осциляционному сдвигу с частотой 10 рад/с (1,59 Гц). Используя теорию вязкоупругих тел, которая предполагает, что модуль жесткости состоит из «вязкой» и «эластичной» составляющих, а между ними возникают зависимости, как показано на рисунке 2, испытательная аппаратура вычисляет следующие зависимости:

•          G*/sinδ для испытуемого образца не состаренного битума;

Рис. 2 Предположительные вектора смещения щебня относительно друг друга под воздействием динамической нагрузки.

gallery/шпиндель
gallery/график

График. Зависимости «вязкой» и эластичной составляющей.

В Российских стандартах данный метод нашел свое отражение в промежуточном стандарте ПНСТ-87 2016 и далее в ГОСТ Р 58400.10-2019.

            Как видно из описанного выше новые методы оценки качества вяжущих материалов оперируют не косвенными методами определения реологических свойств, а моделируют ситуацию, происходящую в асфальтобетонном покрытии.

            Очень многие выражают свое недовольство внедрением новых методов оценки, а особенно стоимостью оборудования для этого, но одно ясно, что старые методы оценки не дают понимания процессам происходящим в конструкции дороги и не могут в должной мере смоделировать протекающие в момент эксплуатации нагрузки на элементы дорожной конструкции.

 

Специально для сайта - http://сибирскиедороги.рф/

Использованны данные:

Лекции профессора Хусейна Бахии от 19.03.2019 года в Санкт-Петребурге;

ПНСТ – 85 (ГОСТ Р 58400.1-2019)

ПНСТ – 82 (ГОСТ Р 58400.2-2019)

ПНСТ – 87 (ГОСТ Р 58400.10-2019)

Битумный справочник 2014 года Orlen Asphalt

”Superpave asphalt binder test method” – An illustrated overview Publication No. FHWA-SA-94-068 July 1994.

Александр Исаков

Часть 2 (низкотемпературная)
Новые методы оценки вяжущих – грандиозный «распил» или жизненная необходимость.

 

В предыдущей части мы сделали акцент на оценку качества высоко температурных пределов эксплуатации вяжущих материалов по системе Superpave PG. В данной статье давайте посмотрим на то, как оценивается низкотемпературные реологические свойства вяжущих по выше указанной системе, как фиксируется нижняя граница метода оценки качества PG. Хочется отметить, что по сравнению с методом измерения температуры хрупкости по Фраас в PG все значительно сложнее и разностороннее.

            В разработанной в США системе оценки низкотемпературных характеристик вяжущих, существует по меньшей мере три разных метода, которые оперируют совершенно разными методологиями.

Direct Tension Tester (DTT) – Тест прямого (непосредственного) растяжения.

По своей сути это тест на дуктильность (растяжение), но который проводиться при температурах ниже 00С и при этом фиксируются напряжения, которые возникают в процессе растягивающей нагрузки. Данный тест оценивает низкая температурную чувствительность и способность к растяжению / пластичности (по сути, привычная нам дуктильность, только значительно ниже 00С и с фиксацией напряжений, которые возникают в образце при определенной температуре и наступление разрушения).

gallery/1

Напряжение разрушения = нагрузка при разрыве / площадь сечения образца

Деформация при разрушении = длина образца в момент разрыва / исходную длину

В результате полученных данных получаем способность вяжущего работать на растяжение при низких температурах и фиксируем минимальную температуру, на которой происходит разрушение образца рис. 3.

gallery/3

Вообще данный способ оценки низкотемпературных характеристик вяжущих взят с оценки полимерных материалов на относительное удлинение и прочность на разрыв, т.е. это адаптированная под требования дорожников технология оценки качества их полимерной промышленности. В РФ данный метод оценки почему-то не вошел в новый стандарт, его посчитали слишком сложным для применения в РФ.

2. Bending Beam Rheometer (BBR) – реометр изгиба балки.

Данный метод оценки низкотемпературных свойств вяжущих материалов был взят то же из полимерной промышленности и немного доработан под требования дорожников. Суть метода заключается в трехточечном изгибе балочки вяжущего материала при отрицательных температурах и фиксации его поведения.

gallery/4

Данный тест измеряет такие параметры поведения образца под воздействием нагрузки, как – Жесткость (S) – сопротивление, оказываемое образцом при приложении нагрузки (МПа) и так называемая ползучесть (m) или способность образца восстанавливать исходный размер после снятия нагрузки.

gallery/5

Данный тест позволяет понять какие нагрузки возникают в вяжущем материале с понижением температуры и как вяжущее будет вести себя при оказании на него динамической нагрузки от проезжающих машин, в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Надо отметить, что подготовка образцов достаточно кропотливое дело, что для DTT, что для BBR, что требует достаточного терпения и точности действий.

gallery/6

Данный метод вошел в новый стандарт оценки качества вяжущих материалов ГОСТ 58400.1(2) – 2019, а сам метод описан в ГОСТ 58400.8 – 2019.

ABCD – метод растрескивания вяжущего при низких температурах.

На мой взгляд, самый «революционный» метод оценки низкотемпературных характеристик вяжущих. Который не подразумевает никакого механического воздействия на образец. Образец заливается в мягкое силиконовое кольцо и охлаждается до того момента пока образец вяжущего под воздействием возникающих внутри него напряжений не треснет. Данный метод оценки нашел отражение в новом ГОСТ 58400.11 – 2019 и единственный прибор (из линейки приборов для оценки качества по стандарту Superpave) который выпускается в РФ. По сути, данным методом снимаются те же параметры, что и в методе BBR, а именно жесткость (S) и ползучесть (m). Вяжущее залитое в мягкое силиконовое кольцо, остужается в климатической камере до того момента пока не произойдет его растрескивание или скачек деформации, когда возникшие в результате охлаждения напряжения в теле образца обнуляются в результате растрескивания.

gallery/7
gallery/8

В специализированных климатических камерах можно одновременно проводить достаточно большое количество тестов, которые фиксируются на компьютере и очень удобно обрабатываются, дают очень хорошую сходимость и статистику.

Я абсолютно понимаю тех людей, которые привыкли проверять температуру хрупкости по методу Фрааса, а тут целая куча методов один замороченнее другого, но как показывает практика, чем лучше мы представляем себе как ведет себя материал в реальных условиях эксплуатации тем эффективней мы можем его использовать. По этому и эти методы оценки качества которые мы с вами рассмотрели в I-ой II-ой частях намного эффективней показывают способность вяжущего материала выдерживать предполагаемые условия эксплуатации с учетом старения.

 

Специально для сайта сибирскиедророги.рф

 

Александр Исаков

 

 

 

Часть 3
Понятие стрессоустойчивости вяжущего материала по SHRP (SuperPave)

 

          В предыдущих статьях опубликованных на сайте «сибирскиедороги.рф» мы начали обсуждение системы оценки качества вяжущих материалов разработанных в рамках американской программы улучшения качества дорожных покрытий. Был рассмотрен базовый метод оценки вяжущих материалов на соответствие климатическим требованиям согласно спецификации Superpave PG X-Y, где Х и Y соответственно верхний и нижний температурный пределы эксплуатации покрытия. В данной статье мы обсудим следующий этап развития системы оценки качества вяжущих материалов в рамках системы SuperPave. А именно оценку сдвигоустойчивости вяжущего под действием периодических нагрузок, т.е. с учетом требований по эксплуатации, а не только по климатическим. К слову сказать в отечественных стандартах подобных требований к вяжущим материалам не предъявляли, были только климатические и не связанные напрямую с реологией вяжущих.

            Данный метод оценки эксплуатационных характеристик получил название MULTIPLE STRESS CREEP RECOVERY (MSCR), что можно перевести как «множественные нагрузки с последующим восстановлением». В чем отличие MSCR от базового метода оценки G*/sinδ?

            В базовом методе в реометре динамического сдвига (DSR) при определенной температуре производится ротационное сдвиговое воздействие на вяжущий материал с частотой 10 рад/с, при этом фиксируется сопротивление материала сдвигу и при достижении температуры сдвига tmax значение G*/sin δ получается ниже требуемого ( 1 кПа, для исходного вяжущего, 2,2 кПа для вяжущего после RTFOT) тем самым мы получаем вполне определенную температуру при которой вяжущий материал уже не оказывает сдвигового сопротивления прикладываемой нагрузке, т.е. вяжущий материал уже не вяжущий и соответственно можем спрогнозировать модуль упругости АБС для данной температуры эксплуатации покрытия. На первых этапах системы Superpave эксплуатационные характеристики учитывали повышением верхнего предела марки вяжущего. Т.е. если климатический максимум был 640С то учитывая например количество автомобилей выше определенного предела это значение повышали на один шаг т.е. 60С, марка становилась не 64, а 70, если же при этом скорость движения на данном участке была менее 60 км/ч, то марку вяжущего повышали еще на один шаг т.е. до 76 и в итоге получали марку PG 76-22 (к примеру) вместо PG 64-22, т.е. просто повышали сдвиговое сопротивление при температуре климатического максимума. Делали вяжущее более вязким, более жестким.

            У MSCR, в отличие от G*/sin δ нагрузка прикладывается многократно и при этом фиксируется релаксация материала, т.е. насколько он возвращается в исходное положение. При этом уровень, непосредственно, нагрузки растет в течение теста, сперва 10 циклов нагрузок/релаксаций при нагрузке 0,1 кПа, далее 10 циклов нагрузок /релаксаций с нагрузкой 3,2 кПа и фиксацией разницы между исходным размером образца и после цикла релаксации. Данный параметр в методике MSCR получил обозначение «J n r» где  вместо  « n »  и  « r »  указываются   значения   нагрузки   при    испытании 0,1 или 3,2 кПа-1.Выглядит это примерно так рис.1

gallery/1

          В течение теста у любого вяжущего материала будет накапливаться отклонение образца после испытаний от исходного образца. Чем меньше это отклонение, тем выше марка вяжущего по устойчивости к стрессовым нагрузкам.

            Надо отметить, что американские инженеры Федерального Дорожного Агенства США (Federal Highway Administration’s (FHWA)) прежде, чем внести эти утверждения в стандарт проводили сравнительные испытания на установке имитации движения машин (проход колеса) (Accelerated Loading Facility (ALF))

gallery/2

  Данные испытание подтвердили, что корреляция между результатами лабораторных тестов и испытаниями на стенде оказалась лучше всего на образцах протестированных с помощью метода MSCR рис.3

gallery/3

У разработчиков метода MSCR родилось, на мой взгляд заносчивое, утверждение, что тест MSCR заменяет собой тесты на эластичность, дуктильность и упругое восстановление, утверждение конечно спорное но одно могу сказать точно, что этот метод наиболее приближен к реальным механическим воздействиям на вяжущий материал в покрытии. Если более подробно рассмотреть механизм процесса нагрузки/релаксации то он выглядит так рис. 4

gallery/4

 

Если с климатическими требованиями к вяжущему мы с вами определились это PG 64-34.

То теперь нам надо определиться с эксплуатационными требованиями, которые регламентируются следующим образом:

Марка, вяжущего маркируется по формуле PG 64(Z)-34, где Z - это обозначение нагрузки на полотно дороги которые делятся на 4 (четыре) класса:

S - (дороги с нормальными условиями и стандартным характером движения) соответствует количеству приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 менее 1,8 млн и прогнозируемой средней скоростью

транспортного потока более 70 км/ч;

H - (дороги с тяжелыми условиями и медленным характером движения) соответствует количеству приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 от 1,8 до 5,6 млн и прогнозируемой средней скоростью

транспортного потока от 20 до 70 км/ч;

V - (дороги с экстремально тяжелыми условиями и неподвижным характером движения) соответствует количеству приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 более 5,6 млн и прогнозируемой средней

скоростью транспортного потока менее 20 км/ч;

E - (дороги с экстремально тяжелыми условиями и неподвижным характером движения) соответствует количеству приложений расчетной нормативной нагрузки АК-11,5 более 5,6 млн и прогнозируемой средней

скоростью транспортного потока менее 20 км/ч. (применяется в местах стоянок, парковок, остановок автотранспорта и в других подобных участках).

Т.е. допустим мы определились, что нам с учетом климата и эксплуатационных требований подходит марка PG 64(H)-34 как это будет выглядеть в паспорте на вяжущий материал?

Для этого в ГОСТ 58400.2 введены параметры - "относительная необратимая деформация (J3.2) и изменение значения относительной необратимой деформации (J)" данный параметр еще называют

стрессоустойчивость вяжущего материала.

Для каждого типа эксплуатационных нагрузок соответствует свои требования J3.2 (они очень схожи с требованиями сдвиговой устойчивости: (G*/sin δ) из ГОСТ 58400.1 т.е. не превышающими определенные требования,

а именно:

S - Устойчивость при многократных сдвиговых деформациях для типа марки S: J3.2, не более 4,5 кПа-1; J, не более 75%, при температуре испытания - 64 °C ;

H - Устойчивость при многократных сдвиговых деформациях для типа марки H: J3.2, не более 2,0 кПа-1; J, не более 75%, при температуре испытания, - 64 °C; (в нашем случае)

V - Устойчивость при многократных сдвиговых деформациях для типа марки V: J3.2, не более 1,0 кПа-1; J, не более 75%, при температуре испытания, - 64 °C;

E - Устойчивость при многократных сдвиговых деформациях для типа марки E: J3.2, не более 0,5 кПа-1; J, не более 75%, при температуре испытания, - 64 °C

(-1 это минус первая степень)

Все остальные параметры как в ГОСТ 58400.1 для данной марки.

Итого -  Паспорт на вяжущее марки PG 64(H)-34 должен выглядеть примерно так:

Ну а теперь давайте спустимся с «научных небес» американских технологий к нашему новом стандарту ГОСТ 58400.2 «Дороги автомобильные общего пользования. МАТЕРИАЛЫ ВЯЖУЩИЕ НЕФТЯНЫЕ БИТУМНЫЕ. Технические условия с учетом уровней эксплуатационных транспортных нагрузок»

Определение марки вяжущего по PG с учетом эксплуатационных характеристик делается следующим образом (используем только действующие на сегодняшний день стандарты РФ).

gallery/5

Литература:

ГОСТ 58400.1-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. МАТЕРИАЛЫ ВЯЖУЩИЕ НЕФТЯНЫЕ БИТУМНЫЕ. Технические условия с учетом температурного диапазона эксплуатации»

ГОСТ 58400.2-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. МАТЕРИАЛЫ ВЯЖУЩИЕ НЕФТЯНЫЕ БИТУМНЫЕ. Технические условия с учетом уровней эксплуатационных транспортных нагрузок»

ГОСТ 58400.6-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. МАТЕРИАЛЫ ВЯЖУЩИЕ НЕФТЯНЫЕ БИТУМНЫЕ. Метод определения упругих свойств при многократных сдвиговых нагрузках (MSCR) с использованием динамического сдвигового реометра (DSR)

ГОСТ 58400.10-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. МАТЕРИАЛЫ ВЯЖУЩИЕ НЕФТЯНЫЕ БИТУМНЫЕ. Метод определения свойств с использованием динамического сдвигового реометра (DSR)»

U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration “ TechBrief - THE MULTIPLE STRESS CREEP RECOVERY (MSCR) PROCEDURE, - 2011

J. C. Petersen, R. E. Robertson, J. F. Branthaver, P. M. Harnsberger, J. J. Duvall, S. S. Kim, Western Research Institute Laramie, Wyoming - SHRP-A-370 “Binder Characterization and Evaluation Volume 4: Test Methods, Strategic Highway Research Program National Research Council Washington, DC 1994.

Александр Исаков ООО «БИТУМ» г. Салават

Специально для сайта Сибирскиедророги.рф