Визначення зернового складу асфальтобетону. Методи розрахунку складу асфальтобетонної суміші. Приклад оптимального підбору інгредієнтів асфальтобетонної суміші

У Росії її найбільшого поширення отримав підбір складів мінеральної частини асфальтобетонних сумішей по граничним кривим зернових складів. Суміш щебеню, піску та мінерального порошку підбирають таким чином, щоб крива зернового складу розташувалася в зоні, обмеженій граничними кривими, і була по можливості плавною. Фракційний склад мінеральної суміші розраховується залежно від вмісту вибраних компонентів та їх зернових складів за наступною залежністю:

j – номер компоненти;

n - кількість компонентів у суміші;

При підборі зернового складу асфальтобетонної суміші, особливо з використанням піску з відсіву дроблення, необхідно враховувати зерна, що містяться в мінеральному матеріалі, дрібніше 0,071 мм., які при нагріванні в сушильному барабані видмухуються і осідають в системі пиловловлення.

Ці пилоподібні частинки можуть або видалятися із суміші, або дозуватися в установку змішувача разом з мінеральним порошком. Порядок використання пилу уловлювання обумовлюється в технологічному регламенті для приготування асфальтобетонних сумішей з урахуванням якості матеріалу та особливостей асфальти змішувальної установки.

Далі відповідно до ГОСТ 12801-98 визначають середню та істинну щільність асфальтобетону та мінеральної частини та за їх значеннями розраховують залишкову пористість та пористість мінеральної частини. Якщо залишкова пористість не відповідає значенню, що нормується, то обчислюють новий вміст бітуму Б (% за масою) за наступною залежності:

З розрахованою кількістю бітуму знову готують суміш, формують із неї зразки і знову визначають залишкову пористість асфальтобетону. Якщо вона відповідатиме необхідної, то розрахована кількість бітуму приймається за основу. В іншому випадку процедуру підбору вмісту бітуму, засновану на наближенні до нормованого обсягу пор в ущільненому асфальтобетоні, повторюють.

З асфальтобетонної суміші із заданим вмістом бітуму формують стандартним методом ущільнення серію зразків та визначають повний комплекс показників фізико-механічних властивостей, передбачений ГОСТ 9128-97. Якщо асфальтобетон за будь-якими показниками не буде відповідати вимогам стандарту, склад суміші змінюють.

При недостатній величині коефіцієнта внутрішнього тертя слід збільшувати вміст великих фракцій щебеню або подрібнених зерен у піщаній частині суміші.

При низьких показниках зчеплення при зсуві та міцності при стисканні при 50°С слід збільшувати (у допустимих межах) вміст мінерального порошку або застосовувати більш в'язкий бітум. При високих значеннях міцності при 0°С рекомендується знижувати вміст мінерального порошку, зменшувати в'язкість бітуму, застосовувати полімерно-бітумне в'яжуче або використовувати добавки, що пластифікують.

При недостатній водостійкості асфальтобетону доцільно підвищувати вміст мінерального порошку або бітуму, але в межах, що забезпечують необхідні значення залишкової пористості та пористості мінеральної частини. Для підвищення водостійкості ефективно застосовувати поверхнево-активні речовини (ПАВ), активатори та активовані мінеральні порошки. Підбір складу асфальтобетонної суміші вважають завершеним, якщо всі показники фізико-механічних властивостей, отримані при випробуванні зразків асфальтобетонних, будуть відповідати вимогам стандарту. Проте в рамках стандартних вимог до асфальтобетону склад суміші рекомендується оптимізувати в напрямку підвищення експлуатаційних властивостей і довговічності конструктивного шару дорожнього одягу, що влаштовується.

Оптимізацію складу суміші, призначеної для влаштування верхніх шарів дорожніх покриттів, до останнього часу пов'язували з підвищенням густини асфальтобетону. У зв'язку з цим у дорожньому будівництві сформувалися три методи, що застосовуються під час підбору зернових складів щільних сумішей. Спочатку вони називалися як:

- експериментальний (німецький) метод підбору щільних сумішей, що полягає у поступовому заповненні одного матеріалу іншим;
- метод кривих, заснований на підборі зернового складу, що наближається до заздалегідь визначеним математично «ідеальним» кривим щільних сумішей;
- американський метод стандартних сумішей, що ґрунтується на апробованих складах сумішей з конкретних матеріалів.

Ці методи були запропоновані близько 100 років тому і набули подальшого розвитку.

Сутність експериментального методу підбору щільних сумішей полягає в поступовому заповненні пор одного матеріалу з більшими зернами іншим дрібнішим мінеральним матеріалом. Практично підбір суміші здійснюється у такому порядку.

До 100 вагових частин першого матеріалу послідовно додають 10, 20, 30 і т. д., вагових частин другого, визначаючи після їх перемішування і ущільнення середню щільність і вибираючи суміш з мінімальною кількістю порожнеч в ущільненому стані.

Якщо необхідно скласти суміш з трьох компонентів, то до щільної суміші з двох матеріалів додають порціями, що поступово збільшуються, третій матеріал і також вибирають найбільш щільну суміш. Хоча даний підбір щільного мінерального кістяка трудомісткий і не враховує впливу вмісту рідкої фази та властивостей бітуму на ущільнюваність суміші, проте він досі застосовується при проведенні експериментально-дослідних робіт.

Крім того, експериментальний метод підбору щільних сумішей був покладений в основу розрахункових методів складання щільних бетонних сумішей із сипучих матеріалів різної крупності та отримав подальший розвиток у методах планування експерименту. Принцип послідовного заповнення пустот використаний у методиці проектування оптимальних складів дорожніх асфальтобетонів, у яких використовуються щебінь, гравій та пісок із будь-якою гранулометрією.

На думку авторів роботи, запропонована розрахунково-експериментальна методика дозволяє оптимально керувати структурою, складом, властивостями та вартістю асфальтобетону. В ролі структурно-керуючих параметрів, що варіюються, використовуються:

- коефіцієнти розсунення зерен щебеню, гравію та піску;
- об'ємна концентрація мінерального порошку в асфальтовому в'яжучому;
- критерій оптимальності складу, виражений мінімальною загальною вартістю компонентів на одиницю продукції.

За принципом послідовного заповнення порожнеч у щебені, піску та мінеральному порошку було розраховано орієнтовний склад суміші для асфальтобетонів підвищеної щільності на основі рідких бітумів.

Зміст компонентів у суміші обчислювалося на підставі результатів попередньо встановлених значення істинної та насипної щільності мінеральних матеріалів. Остаточний склад експерименту уточнювався при спільному варіюванні вмістом всіх компонентів суміші методом математичного планування експерименту на симплексі. Склад суміші, що забезпечує мінімальну пористість мінерального кістяка асфальтобетону, вважався оптимальним.

Другий метод підбору зернового складу асфальтобетону ґрунтується на підборі щільних мінеральних сумішей, зерновий склад яких наближається до ідеальних кривих Фуллера, Графа, Германа, Боломея, Телбот-Річарда, Кітт-Пефф та інших авторів. Ці криві здебільшого видаються статечними залежностями необхідного вмісту зерен у суміші від їхньої крупності. Наприклад, крива гранулометричного складу щільної суміші за Фуллером задається наступним рівнянням:

D – найбільша крупність зерен у суміші, мм.

Для нормування зернового складу асфальтобетонної суміші в сучасному американському методі проектування "Superpave" також приймаються гранулометричні криві максимальної щільності, що відповідають статечній залежності з показником ступеня 0,45.

Причому, крім контрольних точок, що обмежують діапазон вмісту зерен, наводиться також внутрішня зона обмеження, що розташовується вздовж гранулометричної кривої максимальної щільності в проміжку між зернами розміром 2,36 та 0,3 мм. Вважається, що суміші з гранулометричним складом, що проходять по обмежувальній зоні, можуть мати проблеми з ущільненням і стійкість зсуву, так як вони більш чутливі до вмісту бітуму і стають пластичними при випадковому передозуванні органічного в'яжучого.

Слід зазначити, що ГОСТ 9128-76 також наказував для кривих зернового складу щільних сумішей обмежувальну зону, розташовану між граничними кривими безперервної та уривчастої гранулометрії. На рис. 1 ця зона заштрихована.

Рис. 1. - Зернові склади мінеральної частини дрібнозернистої:

Однак у 1986 р. при перевиданні стандарту це обмеження було скасовано як несуттєве. Більше того, в роботах Ленінградської філії Союздорнії (А.О. Саль) було показано, що проходять по заштрихованій зоні так звані «напівпереривчасті» склади сумішей у ряді випадків переважно безперервних через меншу пористість мінеральної частини асфальтобетону, а переривчастих - через більшої стійкості до розшарування.

В основу вітчизняного методу побудови кривих гранулометричного складу щільних сумішей стали відомі дослідження В.В. Охотина, в яких було показано, що найбільш щільну суміш можна отримати за умови, якщо діаметр частинок, що складають матеріал, зменшуватиметься в пропорції 1:16, а їх вагові кількості - як 1:0,43. Однак, зважаючи на схильність до сегрегації сумішей, складених з таким співвідношенням великих і дрібних фракцій, було запропоновано додавати проміжні фракції. При цьому вагова кількість фракції з діаметром, у 16 разів меншим, абсолютно не зміниться, якщо заповнювати порожнечі не просто цими фракціями, а, наприклад, фракціями з діаметром зерен у 4 рази меншого розміру.

Якщо при заповненні фракціями в 16 разів меншим діаметром їх ваговий вміст дорівнював 0,43, то при заповненні фракціями діаметром зерен, в 4 рази меншим, їх вміст має дорівнювати = 0,67. Якщо ввести ще одну проміжну фракцію з діаметром, що зменшується в 2 рази, співвідношення фракцій повинно бути до = 0,81. Таким чином, вагова кількість фракцій, які постійно зменшуватимуться на одну і ту ж величину, можна виразити математично як ряд геометричної прогресії:

Y1 – кількість першої фракції;

до - коефіцієнт бігу;

n – число фракцій у суміші.

З отриманої прогресії виводиться кількісне значення першої фракції:

Таким чином, коефіцієнтом бігу прийнято називати вагове співвідношення фракцій, розміри частинок яких відносяться як 1:2, тобто як співвідношення найближчих розмірів осередків у стандартному наборі сит.

Хоча теоретично найщільніші суміші розраховуються за коефіцієнтом втечі 0,81, практично більш щільними виявилися суміші з уривчастим зерновим складом.

Це пояснюється тим, що представлені теоретичні викладки складання щільних сумішей по коефіцієнту втечі не враховують розсунення великих зерен матеріалу дрібнішими зернами. У зв'язку з цим П.В. Сахаров зазначав, що позитивні результати з погляду збільшення щільності суміші виходять лише за ступінчастому (переривчастому) підборі фракцій.

Якщо ж співвідношення розмірів фракцій, що змішуються менше, ніж 1:2 або 1:3, то дрібні частинки не заповнюють проміжок між великими зернами, а розсувають їх.

Криві гранулометричного складу мінеральної частини асфальтобетону з різними коефіцієнтами втечі показані на рис. 2.

Рис. 2. - Гранулометричний склад мінеральної частини асфальтобетонних сумішей з різними коефіцієнтами бігу:

Пізніше було уточнено співвідношення діаметрів частинок суміжних фракцій, що виключають розсунення великих зерен багато фракційної мінеральної суміші. За даними П.І. Боженова, щоб унеможливити розсунення великих зерен дрібними, відношення діаметра дрібної фракції до діаметра великої фракції має бути не більше 0,225 (тобто, як 1:4,44). Враховуючи перевірені практично склади мінеральних сумішей, Н.Н. Іванов запропонував застосовувати для підбору сумішей криві гранулометричного складу з коефіцієнтом втечі в межах від 0,65 до 0,90.

Гранулометричні склади щільних асфальтобетонних сумішей, орієнтовані на зручність, були нормовані в СРСР з 1932 по 1967 р.р. Відповідно до цих норм асфальтобетонні суміші містили обмежену кількість щебеню (26-45%) і підвищену кількість мінерального порошку (8-23%). Досвід застосування таких сумішей показав, що у покриттях, особливо на дорогах з важким та інтенсивним рухом, утворюються хвилі, зрушення та інші пластичні деформації. При цьому шорсткість поверхні покриттів була недостатньою, щоб забезпечити високе зчеплення з колесами автомобілів, виходячи з умов безпеки руху.

Принципові зміни до стандарту на асфальтобетонні суміші були внесені в 1967 р. У ГОСТ 9128-67 увійшли нові склади сумішей для каркасних асфальтобетонів з підвищеним вмістом щебеню (до 65%), які передбачалися в проектах доріг з високою інтенсивністю руху. В асфальтобетонних сумішах також було знижено кількість мінерального порошку та бітуму, що обгрунтовувалося необхідністю переходу від пластичних до жорсткіших сумішей.

Склади мінеральної частини багато щебенистих сумішей розраховувалися за рівнянням кубічної параболи, прив'язаної до чотирьох контрольних розмірів зерен: 20; 5; 1,25 і 0,071 мм.

При дослідженні та впровадженні каркасного асфальтобетону велике значення надавалося підвищенню шорсткості покриттів. Методи влаштування асфальтобетонних покриттів з шорсткою поверхнею знайшли відображення у рекомендаціях, розроблених на початку 60-х років минулого сторіччя та отримали первісне впровадження на об'єктах Головдорбуду Мінтрансбуду СРСР. За даними розробників, створенню шорсткості мало передувати утворення просторового каркасу в асфальтобетоні. Практично це досягалося зменшенням кількості мінерального порошку в суміші, збільшенням вмісту великих дроблених зерен, повним ущільненням суміші, при якому зерна щебеню та великих фракцій піску стикаються між собою. Одержання асфальтобетону з каркасною структурою і шорсткою поверхнею забезпечувалося при вмісті 50-65% по масі зерен більше 5 (3) мм. у дрібнозернистих сумішах типу А і 33-55% зерен більше 1,25 мм. у піщаних сумішах типу Г при обмеженому вмісті мінерального порошку (4-8% у дрібнозернистих сумішах та 8-14% у піщаних).

Рекомендації щодо забезпечення зсувостійкості асфальтобетонних покриттів в результаті застосування каркасних асфальтобетонів за рахунок підвищення внутрішнього тертя мінерального кістяка присутні і в зарубіжних публікаціях.

Наприклад, дорожні фірми з Великобританії при будівництві асфальтобетонних покриттів у тропічних та субтропічних країнах спеціально застосовують зернові склади, що підбираються за рівнянням кубічної параболи.

Стійкість покриттів з таких сумішей забезпечується головним чином в результаті механічної заклинки частинок кутастої форми, які повинні бути міцним щебенем, або дробленим гравієм. Застосовувати неподрібнений гравій у таких сумішах не дозволяється.

Опір покриттів зсувним деформаціям можна підвищити збільшенням крупності щебеню. У стандарті США ASTM D 3515-96 були передбачені асфальтобетонні суміші, диференційовані на дев'ять марок, залежно від максимальної крупності зерен від 1,18 до 50 мм.

Чим вище марка, тим більший щебінь і тим менший вміст мінерального порошку у складі суміші. Криві зернових складів, побудовані по кубічній параболі, забезпечують при ущільненні покриття жорсткий каркас із великих зерен, який чинить основний опір транспортним навантаженням.

У більшості випадків мінеральна частина асфальтобетонної суміші підбирається з крупнозернистої, середньозернистої та дрібнозернистої складових. Якщо справжня щільність складових мінеральних матеріалів істотно різниться між собою, вміст їх у суміші рекомендується розраховувати за обсягом.

Перевірені практично зернові склади мінеральної частини асфальтобетонних сумішей стандартизовані переважають у всіх технічно розвинених країн із урахуванням області їх застосування. Ці склади, як правило, узгоджуються між собою.

Загалом прийнято вважати, що найбільш розробленим елементом проектування складу асфальтобетону є підбір гранулометричного складу мінеральної частини або за кривими оптимальної щільності, або за принципом послідовного заповнення пір. Складніше справа з вибором бітумного в'яжучого потрібної якості і з обґрунтуванням його оптимального вмісту в суміші. Досі відсутня єдина думка про надійність розрахункових методів призначення вмісту бітуму в асфальтобетонній суміші.

Діючі експериментальні методи підбору вмісту в'яжучого припускають різні методи виготовлення та випробування зразків асфальтобетонних в лабораторії і, головне, не дозволяють достатньо надійно прогнозувати довговічність та експлуатаційний стан дорожніх покриттів залежно від умов експлуатації.

П.В. Сахаров пропонував проектувати склад асфальтобетону за попередньо підібраним складом асфальтового в'яжучого речовини. Кількісне співвідношення бітуму і мінерального порошку в асфальтовому в'яжучому речовині підбиралося експериментально залежно від показника пластичної деформації (методом водостійкості) і межі міцності на розтяг зразків-вісімок. Враховувалася також і термічна стійкість асфальтового в'яжучого речовини зіставленням показників міцності за температури 30, 15 і 0°С. На підставі експериментальних даних було рекомендовано дотримуватися величин відношення бітуму до мінерального порошку масою (Б/МП) в межах від 0,5 до 0,2.

Через війну склади асфальтобетону характеризувалися підвищеним вмістом мінерального порошку. У подальших дослідженнях І.А. Риб'єва було показано, що раціональні значення Б/МП можуть дорівнювати 0,8 і навіть вище. На основі закону міцності оптимальних структур (правилі створа), був рекомендований метод проектування складу асфальтобетону за заданими експлуатаційними умовами роботи дорожнього покриття. Констатувалося, що оптимальна структура асфальтобетону досягається при переведенні бітуму в плівковий стан.

У той же час було показано, що оптимальний вміст бітуму в суміші залежить не тільки від кількісного та якісного співвідношення компонентів, а й від технологічних факторів та режимів ущільнення.

Тому наукове обґрунтування необхідних експлуатаційних показників асфальтобетону та раціональних способів їх досягнення продовжує залишатися основним завданням, пов'язаним із підвищенням довговічності дорожніх покриттів.

Існують кілька розрахункових способів призначення вмісту бітуму в асфальтобетонній суміші як за товщиною бітумної плівки на поверхні мінеральних зерен, так і за кількістю порожнень у мінеральній ущільненій суміші.

Перші спроби застосування при проектуванні асфальтобетонних сумішей часто закінчувалися невдачею, що змушувало вдосконалювати розрахункові методи визначення вмісту бітуму в суміші. Н.М. Іванов пропонував враховувати кращу ущільнюваність гарячої асфальтобетонної суміші та деякий запас на температурне розширення бітуму, якщо розрахунок вмісту бітуму ведеться за пористістю ущільненої мінеральної суміші:

Б – кількість бітуму, %;

Р - пористість ущільненої мінеральної суміші, %;

с6 - дійсна щільність бітуму, г/див. куб.;

с - середня щільність ущільненої сухої суміші, г/див. куб.;

0,85 - коефіцієнт зменшення кількості бітуму за рахунок кращого ущільнення суміші з бітумом та коефіцієнта розширення бітуму, який прийнятий рівним 0,0017.

Слід зазначити, що розрахунки об'ємного вмісту компонентів у ущільненому асфальтобетоні, включаючи обсяг повітряних пор або залишкової пористості, виконуються в будь-якому методі проектування у формі нормування обсягу фаз. Як приклад на рис. 3 наведено об'ємний склад асфальтобетону типу А у вигляді кругової діаграми.

Рис. 3. - Нормування об'єму фаз в асфальтобетоні:

Відповідно до цієї діаграми вміст бітуму (% за обсягом) дорівнює різниці між пористістю мінерального остова і залишковою пористістю ущільненого асфальтобетону. Так, М. Дюр'є рекомендував методику розрахунку вмісту бітуму в гарячій асфальтобетонній суміші за модулем насичення. Модуль насичення асфальтобетону в'яжучою речовиною був встановлений за експериментальними та виробничими даними та характеризує процентний вміст в'яжучого в мінеральній суміші, що має питому поверхню 1 м кв/кг.

Ця методика прийнята визначення мінімального вмісту бітумного в'яжучого залежно від зернового складу мінеральної частини методі проектування асфальтобетонної суміші LCPC. розроблений Центральною лабораторією мостів та доріг Франції. Ваговий вміст бітуму за цим методом визначається за формулою:

до - модуль насичення асфальтобетону в'язким.

S - частковий залишок на ситі з отворами розміром 0,315 мм., %;
s – приватний залишок на ситі з отворами розміром 0,08 мм., %;

Методику розрахунку вмісту бітуму за товщиною бітумної плівки суттєво вдосконалив І.В. Корольов. З експериментальних даних їм проведено диференціювання питомої поверхні зерен стандартних фракцій залежно від природи гірської породи. Було показано вплив природи кам'яного матеріалу, крупності зерен та в'язкості бітуму на оптимальну товщину бітумної плівки в асфальтобетонній суміші.

Наступним кроком є диференційована оцінка бітумоємності мінеральних частинок дрібніше 0,071 мм. В результаті статистичного прогнозу зернових складів мінерального порошку та бітумоємності фракцій розміром від 1 до 71 мкм у МАДИ (ГТУ) була розроблена методика, що дозволяє отримувати розрахункові дані, що задовільно збігаються з експериментальним вмістом бітуму в асфальтобетонній суміші.

Інший підхід до призначення вмісту бітуму в асфальтобетоні заснований на залежності між пористістю мінерального остова та зерновим складом мінеральної частини. На підставі вивчення експериментальних сумішей з частинок різної крупності японськими фахівцями було запропоновано математичну модель пористості мінерального кістяка (VMA). Значення коефіцієнтів встановленої кореляційної залежності були визначені для щебенево-мастичного асфальтобетону, що ущільнювався у обертальному ущільнювачі (гіратор) при 300 оборотах форми. Алгоритм розрахунку вмісту бітуму, заснований на кореляції порових характеристик асфальтобетону із зерновим складом суміші, був запропонований у роботі. За результатами обробки масиву даних, отриманих при випробуванні щільних асфальтобетонів різних типів, встановлені такі кореляційні залежності для розрахунку оптимального вмісту бітуму:

К – параметр гранулометрії.

Dкр - мінімальний розмір зерен великої фракції, дрібніше від якого міститься 69,1% за масою суміші, мм.;

D0 - розмір зерен середньої фракції, дрібніше від якого міститься 38,1% по масі суміші, мм.;

Dмелк- максимальний розмір зерен дрібної фракції, дрібніше якого міститься 19,1% по масі суміші, мм.

Однак у будь-якому разі розрахункові дозування бітуму слід коригувати при приготуванні контрольних замісів залежно від результатів випробувань сформованих зразків асфальтобетону.

При підборі складів асфальтобетонних сумішей залишається актуальним таке висловлювання проф. Н.М. Іванова: «Бітума слід брати не більше, ніж це обумовлюється отриманням досить міцної та стійкої суміші, але бітуму треба брати якомога більше, а в жодному разі не можливо менше». Експериментальні методи підбору асфальтобетонних сумішей зазвичай припускають приготування стандартних зразків заданими способами ущільнення та випробування в лабораторних умовах. Для кожного методу розроблені відповідні критерії, що встановлюють тією чи іншою мірою зв'язок між результатами лабораторних випробувань ущільнених зразків та експлуатаційними характеристиками асфальтобетону в умовах експлуатації.

У більшості випадків зги критерії визначені та стандартизовані національними стандартами на асфальтобетон.

Поширені такі схеми механічних випробувань зразків асфальтобетону, що представлені на рис. 4.

Рис. 4. - Схеми випробування циліндричних зразків при проектуванні складу асфальтобетону:

а - по Дюр'єзу;

б - по Маршаллу;

в - за Хвім;

г - за Хаббард-Філд.

Аналіз різних експериментальних методів проектування складів асфальтобетону вказує на схожість у підходах при призначенні рецептури та на відмінність як у методах випробування зразків, так і в умовах оцінюваних якостей.

Схожість методів проектування асфальтобетонної суміші ґрунтується на підборі такого об'ємного співвідношення компонентів, при якому забезпечуються задані величини залишкової пористості та нормовані показники механічних властивостей асфальтобетону.

У Росії при проектуванні асфальтобетону проводять випробування стандартних циліндричних зразків на одновісне стиснення (за схемою Дюрьеза), які формують в лабораторії за ГОСТ 12801-98 в залежності від вмісту щебеню в суміші або статичним навантаженням 40 МПа, або способом вібруванням з наступним додатковим МПа. У зарубіжній практиці найбільшого поширення набув метод проектування асфальтобетонних сумішей по Маршаллу.

У США досі застосовуються методи проектування асфальтобетонних сумішей по Маршаллу, Хаббарду-Фільду і Хвіму. Проте останнім часом у ряді штатів запроваджується система проектування «Superpave».

При створенні нових методів проектування асфальтобетонних сумішей за кордоном велика увага приділялася вдосконаленню методів ущільнення зразків. В даний час при проектуванні сумішей по Маршаллу передбачено три рівні ущільнення зразка: 35, 50 та 75 ударів з кожного боку відповідно для умов легкого, середнього та інтенсивного руху транспортних засобів. Інженерні війська Сполучених Штатів, провівши великі дослідження, удосконалили випробування методом Маршалла і поширили його за проектування складів сумішей для аеродромних покриттів.

Проектування асфальтобетонної суміші за методом Маршалла передбачає, що:

- попередньо встановлено відповідність вихідних мінеральних матеріалів та бітуму вимогам технічних умов;
- підібрано гранулометричний склад суміші мінеральних матеріалів, що задовольняє проектним вимогам;
- визначено значення істинної щільності в'язкого бітуму та мінеральних матеріалів відповідними методами випробувань;
- достатню кількість кам'яного матеріалу висушено і розділено на фракції, щоб готувати лабораторні суміші сумішей з різним вмістом в'яжучого.

Для випробувань методом Маршалла виготовляють стандартні циліндричні зразки висотою 6,35 див і діаметром 10,2 див при ущільненні ударами падаючого вантажу. Суміші готують з різним вмістом бітуму, який зазвичай відрізняється одним від іншого на 0,5%. Рекомендується приготувати, принаймні, дві суміші з вмістом бітуму вище за «оптимальне» значення і дві суміші з вмістом бітуму нижче за «оптимальне» значення.

Щоб точніше призначити вміст бітуму щодо лабораторних випробувань, рекомендується спочатку встановити зразковий «оптимальний» зміст бітуму.

Під «оптимальним» мається на увазі вміст бітуму в суміші, що забезпечує максимальну стійкість за маршалом сформованих зразків. Орієнтовно для підбору необхідно мати 22 південь кам'яних матеріалів та близько 4 л. бітуму.

Результати випробувань асфальтобетону методом Маршалла наведено на рис. 5.

На підставі результатів випробувань зразків асфальтобетону за методом Маршалла зазвичай приходять такі висновки:

- значення стійкості зростає зі збільшенням вмісту в'яжучого до певного максимуму, після якого значення стійкості знижується;
- величина умовної пластичності асфальтобетону зростає зі збільшенням вмісту в'яжучого;
- Крива залежності щільності від вмісту бітуму подібна до кривої стійкості, проте для неї максимум частіше спостерігається при дещо вищому вмісті бітуму;
- залишкова пористість асфальтобетону знижується при збільшенні вмісту бітуму, наближаючись асимптотично до мінімального значення;
- Відсоток заповнення пір бітумом збільшується зі збільшенням вмісту бітуму.

Рис. 5. - Результати (а, б, в, г) випробувань асфальтобетону за методом Маршалла:

Оптимальний зміст бітуму рекомендується визначати як середнє із чотирьох значень, встановлених за графіками для відповідних проектних вимог. Асфальтобетонна суміш з оптимальним вмістом бітуму повинна задовольняти всі вимоги, що пред'являються в технічних специфікаціях. При остаточному виборі складу асфальтобетонної суміші можуть враховуватись також техніко-економічні показники. Зазвичай рекомендують вибирати суміш, що має найвищу стійкість по Маршаллу.

Однак при цьому слід мати на увазі, що суміші з надмірно високими значеннями стійкості по Маршалл і низькою пластичністю бувають небажаними, так як покриття з таких сумішей будуть надмірно жорсткими і можуть розтріскатися при русі великовантажних транспортних засобів, особливо при неміцних підставах і високих прогинах покриття. Часто в Західній Європі та США метод проектування асфальтобетонної суміші по Маршаллу піддається критиці. Зазначається, що ударне ущільнення зразків Маршаллу не моделює ущільнення суміші в покритті, а стійкість Маршаллу не дозволяє задовільно оцінити міцність асфальтобетону при зрушенні.

Також критикується і метод Хвіма, до недоліків якого відносять досить громіздке та дороге випробувальне обладнання.

Крім того, деякі важливі обсяги метричні показники асфальтобетону, пов'язані з його довговічністю, у цьому методі належним чином не розкриваються. На думку американських інженерів, метод вибору вмісту бітуму за Хвімом є суб'єктивним і може призвести до недовговічності асфальтобетону через призначення низького вмісту в'яжучого в суміші.

Метод LCPC (Франція) заснований на тому, що гаряча асфальтобетонна суміш має бути спроектована та ущільнена у процесі будівництва до максимальної щільності.

Тому проводилися спеціальні дослідження розрахункової роботи ущільнення, визначеної як 16 проходів катка з пневматичними шинами, з навантаженням на вісь 3 тс при тиску в шині 6 бар. На повномасштабному лабораторному стенді при ущільненні гарячої асфальтобетонної суміші було обґрунтовано стандартну товщину шару, що дорівнює 5 максимальним розмірам мінеральних зерен. Для відповідного ущільнення лабораторних зразків були стандартизовані кут обертання на лабораторному ущільнювачі (гіраторі), що дорівнює 1°, і вертикальний тиск на суміш, що ущільнюється 600 кПа. При цьому стандартне число обертань гіратора повинно становити величину, рівну товщині шару з суміші, що ущільнюється, виражену в міліметрах.

В американському методі системи проектування "Superpave" прийнято ущільнювати зразки з асфальт бетонної суміші також у гіраторі, але при куті обертання 1,25 °. Робота з ущільнення зразків асфальтобетону нормується залежно від розрахункової величини сумарного транспортного навантаження на покриття, для якого проектується суміш. Схема ущільнення зразків із асфальтобетонної суміші у приладі обертального ущільнення представлена на рис. 6.

Рис. 6. - схема ущільнення зразків з асфальтобетонної суміші в приладі обертального ущільнення:

У методі проектування асфальтобетонної суміші MTQ (Міністерство транспорту Квебеку, Канада) запозичений обертальний ущільнювач Superpave замість гіратора LCPC. Розрахункова кількість обертань при ущільненні прийнята для сумішей з максимальним розміром зерен 10 мм. рівним 80, а сумішей крупністю 14 мм. - 100 оборотів обертання. Розрахунковий вміст повітряних нір у зразку має знаходитися в межах від 4 до 7%. Номінальний обсяг пір зазвичай становить 5%. Ефективний обсяг бітуму встановлений для сумішей кожного типу, як і методі LCPC.

Примітно, що при проектуванні асфальтобетонних сумішей з тих самих матеріалів за методом Маршалла, методом LCPC (Франція), методом системи проектування «Superpave» (США) та методом MTQ (Канада) було отримано приблизно однакові результати.

Незважаючи на те, що кожен із чотирьох методів передбачав різні умови ущільнення зразків:

- Маршалл – 75 ударів з двох сторін;
- "Superpave" - 100 оборотів обертання в гіраторі під кутом 1,25 °;
- MTQ - 80 оборотів обертання в гіраторі під кутом 1,25 °;
- LCPC - 60 оборотів обертання ефективного ущільнювача під кутом 1°С були отримані цілком порівняні результати оптимального вмісту бітуму.

Тому автори роботи дійшли висновку, що важливо не те, щоб мати «правильний» метод ущільнення лабораторних зразків, а те, щоб мати систему впливу зусилля, що ущільнює, на структуру асфальтобетону у зразку і на працездатність його в покритті.

Слід зазначити, що обертальні методи ущільнення асфальтобетонних зразків також позбавлені недоліків. Встановлено помітне стирання кам'яного матеріалу за умови ущільнення гарячої асфальтобетонної суміші в гіраторі.

Тому у разі використання кам'яних матеріалів, що характеризуються зносом в барабані Лос-Анжелеса більше 30%, число оборотів ущільнювача суміші, що нормується, при отриманні зразків щебенево-мастичного асфальтобетону призначають рівним 75 замість 100.

Майстер

О.А. КИСЕЛЬОВА

РОЗРАХУНОК СКЛАДУ асфальтоБЕТОННОЇ СУМІШІ

Для магістрантів, які навчаються за напрямком 270100

«Будівництво», методичні вказівки до розрахунково-графічної роботи

з дисципліни «Фізичні засади проектування нових будівельних

матеріалів»

Затверджено Редакційно-видавничою радою ТДТУ

Друкований варіант електронного видання

Тамбов

РІС ТДТУ

УДК 625.855.3(076)

ББК 0311-033я73-5

Укладачі: к.т.н., доц. О. А. Кисельова

Рецензент: д.т.н., проф. Леденєв В.І.

Розрахунок складу асфальтобетонної суміші: Метод. / Упоряд.: О.А. Кисельова. Тамбов: ТДТУ, 2010 – 16 с.

Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічної роботи з дисципліни «Фізичні засади проектування нових будівельних матеріалів» для магістрантів, які навчаються за напрямом 270100 «Будівництво».

Затверджено редакційно-видавничою радою Тамбовського державного технічного університету

технічний університет» (ТДТУ), 2010

ВСТУП

Методичні вказівки присвячені добору складу асфальтобетону.

Для проектування складу асфальтобетону необхідно знати наступне:

– зерновий склад заповнювачів,

- Марку бітуму,

- Марку асфальтобетону.

Розрахунок складу асфальтобетону полягає у виборі раціонального співвідношення між складовими матеріалами, що забезпечує оптимальну щільність мінерального остова при потрібній кількості бітуму та отримання бетону із заданими технічними властивостями при певній технології виконання робіт.

МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ СКЛАД АСФАЛЬТОБЕТОННОЇ СУМІШІ

Найбільш широкого поширення набув метод розрахунку по кривих щільних сумішей. Він говорить, що найбільша міцність бетону досягається за умови максимальної щільності мінерального складу шляхом розрахунку гранулометричного складу та визначення вмісту оптимальної кількості бітуму та мінерального порошку.

Розрахунок складу асфальтобетону включає наступні етапи :

- Розрахунок гранулометричного складу мінеральної суміші за принципом мінімуму порожнин,

- Визначення оптимальної кількості бітуму,

- Визначення фізико-механічних властивостей розрахованих сумішей,

- Внесення коректив до отриманих складів сумішей.

1.Розрахунок гранулометричного складу мінеральної суміші . З цією метою для дрібного та великого заповнювача за даними про приватні залишки на ситах знаходять залишки А i , % рівні сумі приватних залишків (а i) на даному ситі і на всіх ситах дрібніше за дане . Отримані результати з урахуванням марки асфальтобетону крупністю заповнювача вносяться в таблиці 1.

2.Визначаємо кількість заповнювача за фракціями. Розрахунок виконується за граничними кривими, що відповідають обраним коефіцієнтам бігу (рис. 1). Криві з коефіцієнтом втечі менше 0,7 відносять до складів мінеральної частини асфальтобетонної суміші з незначним вмістом мінерального порошку. Склади, розраховані за коефіцієнтом втечі 0,9 містять підвищену кількість мінерального порошку.

З цією метою, залежно від марки асфальтобетону, визначається необхідна кількість піску на ситі з розміткою осередку 1,25 або щебеню на ситі з розміром осередку 5 мм (для дрібнозернистого асфальтобетону). Наприклад, для крупнозернистого асфальтобетону кількість частинок піску дрібніших за 1,25 мм знаходиться в межах від 23 до 46 %. Приймаємо 40%. Після цього визначаємо коефіцієнт для коригування зернового складу піску

Таблиця 1

Гранулометричний склад мінеральної суміші

Вид наповнювача	Залишки	Розміри отворів сіт
			2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,07
Щебінь	а i	а 20 щ	а 10 щ	а 5 щ
А і	А 20 щ	А 10 щ	А 5 щ
Пісок	а i				а 2,5 п	а 1,25 п	а 0,63 п	а 0,315 п	а 0,14 п
А і				А 2,5 п	А 1,25 п	А 0,63 п	А 0,315 п	А 0,14 п
Мінеральний порошок	а i						а 0,63 м	а 0,315 м	а 0,14 м	а 0,07 м
А і						А 0,63 м	А 0,315 м	А 0,14 м	А 0,07 м

Визначається необхідну кількість мінерального порошку на ситі з розміткою комірки 0,071. Для крупнозернистого асфальтобетону кількість частинок дрібніших за 0,071 мм знаходиться в межах від 4 до 18 %. Приймаємо 10%. Після цього визначаємо коефіцієнт для коригування зернового складу мінерального порошку .

Визначаємо коефіцієнт для коригування зернового складу щебеню (або піску) . І уточнюємо зерновий склад наповнювачів (таблиця 2).

Таблиця 2

Розрахунковий склад наповнювачів

Вид наповнювача	Залишки	Розміри отворів сіт
			2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,07
Щебінь	а i	До щ × а 20 щ	До щ × а 10 щ	До щ × а 5 щ
А і
Пісок	а i				К п × а 2,5 п	К п × а 1,25 п	К п × а 0,63 п	К п × а 0,315 п	К п × а 0,14 п
А і
Мінеральний порошок	а i						К м × а 0,63 м	К м × а 0,315 м	К м × а 0,14 м	К м × а 0,07 м
А і
∑А

За отриманими даними будується крива гранулометричного складу конкретної розрахованої суміші, яка повинна розташовуватися між граничними кривими втечі. Уточнюємо кількість компонентів наповнювача з фракцій з урахуванням типу асфальтобетону за таблицею 3.

Т а б л і ц а 3

Оптимальний гранулометричний склад мінеральної суміші

Тип суміші	Вміст зерен мінерального матеріалу, %, дрібніший за даний розмір, мм	Приблизна витрата бітуму, % за масою
				2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,071

Суміші безперервної гранолуметрії
Середньозернисті типів: А Б В	95-100 95-100 95-100	78-85 85-91 91-96	60-70 70-80 81-90	35-50 50-65 65-80	26-40 40-55 55-70	17-28 28-39 39-53	12-20 20-29 29-40	9-15 14-22 20-28	6-10 9-15 12-19	4-8 6-10 8-12	5-6,5 5-6,5 6,5-7
Дрібнозернисті типів: А Б В		95-100 95-100 95-100	63-75 75-85 85-93	35-50 50-65 65-80	26-40 40-55 57-70	17-28 29-39 39-53	12-20 20-29 29-40	9-15 14-22 20-28	6-10 9-15 12-19	4-8 6-10 8-12	5-6,5 5,5-7 6-7,5
Піщані типів:Г Д				95-100 95-100	75-88 80-95	45-67 53-86	28-60 37-75	18-35 27-55	11-23 17-55	8-14 10-16	7,5-9 7-9
Суміші уривчастої гранулометрії
Середньозернисті типів: А Б	95-100 95-100	78-85 85-91	60-70 70-80	35-50 50-65	35-50 50-65	35-50 50-65	35-50 50-65	17-28 28-40	8-14 14-22	4-8 6-10	5-6,5 5-6,5

П р о д о в л е н і е т а б л і ци 3

3.Визначаємо витрати бітуму. Перспективним є розрахунок кількості бітуму в суміші за методом, розробленим ХАДІ та заснованому на бітумоємності мінеральних компонентів. Розрахунок проводиться у два етапи: визначення бітумоємності кожної фракції мінеральної частини суміші та розрахунок вмісту бітуму. Для визначення бітумоємності просушені матеріали розсіюють на фракції менше 0,071, 0,071-0,14, 0,14-0,315, 0,315-0,63, 0,63-1,25, 1,25-3, 3-5, 5-10 мм тощо. до найбільшої крупності щебеню. Бітумоємність кожної фракції представлена таблиця 4 . Визначаємо вміст бітуму кожної фракції (таблиця 5).

Т а б л і ц а 4

Бітумоємність наповнювача

Розмір фракцій, мм	Бітумісткість, %
Гранітний матеріал	Діоритовий матеріал	Матеріал із щільного, міцного вапняку	Чистий окатаний кварцовий пісок та гравій
20-40	3,9	3,3	2,9	–
10-20	4,7		3,5	–
5-10	5,4	4,5	4,1	2,8
2,5-5	5,6	5,6	4,6	3,3
1,25-2,5	5,7	5,9	5,3	3,8
0,63-1,25	5,9		6,0	4,6
0,315-0,63	6,4	7,9	7,0	4,8
0,14-0,315	7,4		7,3	6,1
0,071-0,14	8,4		9,4
0,071		16,5

Т а б л і ц а 5

Визначення змісту бітуму

Т а б л я 6

Фізико-механічні характеристики асфальтобетону

Показники	Норми на суміші для верхнього шару	Норми на суміші для нижнього шару
I марка	ІІ марка
Пористість мінерального остова, % за обсягом для сумішей типів: А (многощебеневі, щебеню 50-65%) Б (середньощебеневі, щебеню 35-50%) В (малощебеневі, щебеню 20-35%) Г (піщані з подрібненого піску з вмістом фракції 1,25-5 мм >33 %) Д (піщані із природного піску)	15-19 15-19 18-22 – –	15-19 15-19 18-22 18-22	16-22
Залишкова пористість, % за обсягом	3-5	3-5	5-10
Водонасичення, % за обсягом для сумішей: А Б та Г В і Д	2-5 2-3,5 1,5-3	2-5 2-3,5 1,5-3	3-8
Набухання, % за обсягом, трохи більше	0,5		1,5
Межа міцності при стисканні, кгс/см 2 для сумішей типів при температурах 20-50 0 С: А Б і Г В і Д при температурі 0 0 С	–		–
Коефіцієнт водостійкості, щонайменше	0,9	0,85	–
Коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні, не менше	0,8	0,75	–

Оптимальний вміст бітуму в суміші визначається за такою формулою

де К - коефіцієнт, що залежить від марки бітуму (при БНД 60/90 - 1,05; БНД 90/130 - 1; БНД 130/200 - 0,95; БНД 200/300 - 0,9); Б i - бітумоємність фракції i; Р i – вміст фракції i у суміші в частинах від цілого.

4. З таблиці 6 виписуємо фізико-механічні показники, характерні даному асфальтобетону.

ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ

Підібрати склад дрібнозернистого асфальтобетону типу А. Наповнювачі: гранітний щебінь, кварцовий пісок, мінеральний порошок, отриманий шляхом подрібнення діориту.

Розрахунок повних залишків представлений у таблиці 7.

Т а б ли ц а 7

Приватні залишки

Вид наповнювача	Залишки	Розміри отворів сіт
			2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,071
Щебінь	а i
А і
Пісок	а i
А і
Мінеральний порошок	а i
А і

Так як щебінь дрібнозернистий, він просіюється через сито з розміром осередку 5 мм, і більші фракції видаляються.

Визначаємо кількість заповнювача за фракціями. Для дрібнозернистого асфальтобетону кількість частинок щебеню дрібніше за 5 мм знаходиться в межах від 84 до 70 %. Приймаємо необхідний вміст щебеню більше 5 мм 25%. Визначаємо коефіцієнт коригування зернового складу щебеню К щ =25*100/(100-28)=34,7.

Необхідна кількість мінерального порошку на ситі з розміткою комірки 0,071 знаходиться в межах від 10 до 25%. Приймаємо 15%. Коефіцієнт коригування зернового складу мінерального порошку дорівнює До м =15*100/74=27,7.

Визначаємо коефіцієнт коригування зернового складу піску До п =100-35-28=37.

Уточнюємо зерновий склад заповнювачів з урахуванням марки асфальтобетону крупності заповнювача (таблиця 8).

Т а б л я 8

Зерновий склад наповнювачів

Вид наповнювача	Залишки	Розміри отворів сіт
			2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	0,071
Щебінь	а i			28*0,35=9,8
А і			9,8
Пісок	а i				16*0,37=5,9	22*0,37=8,2	20*0,37=7,4	30*0,37=11,1	12*0,37=4,4
А і					31,1	22,9	15,5	4,4
Мінеральний порошок	а i						7*0,28=2	10*0,28=2,8	9*0,28= 2,5	74*0,28=20,7
А і								23,2	20,7
∑А			74,8		59,1	50,9	41,5	27,6	20,7

Перевіряємо правильність вибору зернового складу мінеральної суміші. Для цього будуємо графік гранулометричного складу та наносимо його на криві втечі (рис. 5). З малюнка видно, що графік входить у допустиму область. Розрахунок виконано правильно.

Знаючи бітумоємність окремих фракцій, визначаємо витрату бітуму (таблиця 9).

Визначаємо розрахунковий вміст бітуму марки БНД 90/130 Б = 1 * 6,71 = 6,71%. Перевіряємо вміст бітуму за табл. 3. Оскільки кількість бітуму з розрахунку більше нормативного 5-6,5% приймаємо Б = 6,71%.

Виписуємо фізико-механічні показники, характерні даному асфальтобетону:

- пористість мінерального кістяка -18-22%,

- Залишкова пористість - 3-5%,

– водонасичення – 1,5-3 %,

- Набухання - 0,5%,

– межа міцності при стисканні – 10 кгс/см 2 ,

- Коефіцієнт водостійкості - 0,9,

- Коефіцієнт водостійкості при тривалому водонасиченні - 0,8.

Т а б л я 9

Визначення змісту бітуму

Розмір фракцій	Приватні залишки (у частках одиниці)	Бітумоємність, % (з табл.4)	Загальна бітумийність, %
Щебінь	Пісок	Мінеральний порошок	Щебінь	Пісок	Мінеральний порошок

2,5-5	0,098			4,6			0,45
1,25-2,5		0,059			3,8		0,22
0,63-1,25		0,082			4,6		0,38
0,315-0,63		0,074	0,02		4,8	7,9	0,36+0,16
0,14-0,315		0,111	0,028		6,1	9,0	0,68+0,25
0,071-0,14		0,044	0,025			19,0	0,31+0,48
0,071			0,207			16,5	3,42
Зміст бітуму = ∑	6,71

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Глушко І.М. Дорожньо-будівельні матеріали. Підручник для автомобільно-дорожніх інститутів/Глушко І.М., Корольов І.В., Борщ І.М. та ін. - М. 1983.

2. Горелішев Н.В. Матеріали та вироби для будівництва доріг. Довідник / Горелішев Н.В., Гурячков І.Л., Пінус Е.Р. та ін – М.: Транспорт, 1986. – 288 з.

3. Корчагіна О.А. Розрахунок складу бетонних сумішей: Метод. указ./Корчагіна О.А., Однолько В.Г. - Тамбов: ТДТУ, 1996. - 28 с.

Таблиця П 1

Дані до завдання

різновид	Вид асфальтобетону	Тип асфальтобетону	Вид асфальтобетону за методом виробництва	Призначення асфальтобетону	Марка бітуму БНД
	крупнозернистий	А	гарячий	Верхнє покриття	60/90
	середньозернистий	Б	теплий	Нижнє покриття	90/130
	дрібнозернистий	В	гарячий	Верхнє покриття	130/200
	піщаний	Г	холодний	Нижнє покриття	200/300
	крупнозернистий	Б	теплий	Верхнє покриття	60/90
	середньозернистий	В	холодний	Нижнє покриття	130/200
	дрібнозернистий	А	теплий	Нижнє покриття	90/130
	піщаний	Д	гарячий	Верхнє покриття	60/90
	крупнозернистий	В	гарячий	Нижнє покриття	90/130
	середньозернистий	А	теплий	Верхнє покриття	60/90
	дрібнозернистий	Б	холодний	Нижнє покриття	200/300
	крупнозернистий	А	теплий	Нижнє покриття	90/130
	середньозернистий	Б	гарячий	Верхнє покриття	60/90
	дрібнозернистий	В	холодний	Верхнє покриття	130/200
	піщаний	Г	теплий	Нижнє покриття	90/130
	крупнозернистий	Б	холодний	Верхнє покриття	200/300
	середньозернистий	В	гарячий	Нижнє покриття	90/130
	дрібнозернистий	А	теплий	Нижнє покриття	60/90
	піщаний	Д	холодний	Верхнє покриття	130/200
	крупнозернистий	В	холодний	Верхнє покриття	200/300
	середньозернистий	А	теплий	Нижнє покриття	90/130
	дрібнозернистий	Б	гарячий	Верхнє покриття	60/90
	піщаний	Д	теплий	Нижнє покриття	90/130
	крупнозернистий	А	гарячий	Нижнє покриття	60/90
	середньозернистий	Б	холодний	Верхнє покриття	130/200

Таблиця П 2

Дані до завдання

різновид	Гранулометрія	Матеріал наповнювача
щебінь	пісок	мінеральний порошок
	Безперервна	граніт	кварцовий	діорит
	Безперервна	діорит	кварцовий	діорит
	Безперервна	гравій	з вапняку	граніт
	Безперервна	–	з вапняку	з вапняку
	Переривчаста	діорит	з вапняку	граніт
	Безперервна	граніт	кварцовий	з вапняку
	Безперервна	гравій	кварцовий	діорит
	Безперервна	–	з вапняку	діорит
	Безперервна	гравій	кварцовий	з вапняку
	Безперервна	діорит	з вапняку	з вапняку
	Безперервна	граніт	кварцовий	граніт
	Переривчаста	діорит	кварцовий	з вапняку
	Безперервна	гравій	з вапняку	з вапняку
	Безперервна	граніт	з вапняку	з вапняку
	Безперервна	–	кварцовий	діорит
	Безперервна	гравій	кварцовий	граніт
	Безперервна	граніт	з вапняку	діорит
	Безперервна	діорит	з вапняку	діорит
	Безперервна	–	кварцовий	граніт
	Переривчаста	граніт	з вапняку	граніт
	Безперервна	гравій	кварцовий	діорит
	Безперервна	діорит	кварцовий	граніт
	Безперервна	–	кварцовий	з вапняку
	Безперервна	гравій	з вапняку	діорит
	Переривчаста	діорит	кварцовий	граніт

Розрахунок полягає у підборі раціонального співвідношення між складовими асфальтобетонну суміш матеріалами.

Широке поширення набув метод розрахунку по кривих щільних сумішей. Найбільша міцність асфальтобетону досягається при максимальній щільності мінерального остова, оптимальної кількості бітуму та мінерального порошку.

Між зерновим складом мінерального матеріалу та щільністю існує пряма залежність. Оптимальними будуть склади, що містять зерна різного розміру, діаметри яких зменшуються вдвічі.

де d 1 - максимальний діаметр зерна, що встановлюється залежно від типу суміші;

d 2 - найменший діаметр зерна, відповідний пилуватої фракції, та мінерального порошку (0,004...0,005 мм).

Розміри зерен, згідно з попереднім рівнем

(6.6.2)

Число розмірів визначають за формулою

(6.6.3)

Число фракцій пна одиницю менше кількості розмірів т

(6.6.4)

Співвідношення сусідніх фракцій щодо маси

(6.6.5)

де До- Коефіцієнт бігу.

Величина, що показує, у скільки разів кількість наступної фракції менша за попередню, називається коефіцієнтом бігу. Найбільш щільна суміш виходить при коефіцієнті втечі 0,8, але таку суміш важко підібрати, тому, на пропозицію Н.Н. Іванова, коефіцієнт втечі Доприйнято від 0,7 до 0,9.

Знаючи розміри фракцій, їх кількість та прийнятий коефіцієнт бігу (наприклад 0,7), становлять рівняння такого виду:

Сума всіх фракцій (за масою) дорівнює 100%, тобто:

у 1 + у 1 до + у 1 до 2 + у 1 до 3 +...+ у 1 до n -1 = 100 (6.6.6)

у 1 (1 + до + до 2 + до 3 +... + до n -1) = 100 (6.6.7)

У дужках вказано суму геометричної прогресії і, отже, кількість першої фракції в суміші

(6.6.8)

Аналогічно визначаємо процентний зміст першої фракції у 1 , для коефіцієнта втечі до= 0,9. Знаючи кількість першої фракції у 1 , легко визначити у 2 , у 3 і так далі.

З отриманих даних будують граничні криві, відповідні прийнятим коефіцієнтам бігу. Склади, розраховані за коефіцієнтом втечі 0,9, містять підвищену кількість мінерального порошку, а при до < 0,7 - уменьшенное количество минерального порошка.

Крива зернового складу суміші, що розраховується, повинна розташовуватися між граничними кривими (рис. 6.6.1).

Рис. 6.6.1. Зернові склади:
А – дрібнозернистої асфальтобетонної суміші з безперервною гранулометрією типів А, Б, В; Б - мінеральної частини піщаних сумішей типів Г та Д

Високі експлуатаційні показники дають суміші з підвищеним вмістом щебеню та зменшеним вмістом мінерального порошку. Перевагу слід віддавати сумішам з коефіцієнтом втечі 0,70...0,80.

У разі неможливості розрахунку щільної мінеральної суміші по граничним кривим (відсутність крупнозернистих пісків та неможливості їх заміни висівними) необхідна щільність може бути підібрана за принципом уривчастої гранулометрії. Суміші з уривчастою гранулометрією більш зсувостійкі за рахунок жорсткого каркаса.

Для визначення витрати бітуму формують пробні зразки із суміші із свідомо малим вмістом бітуму, потім визначають обсяг порожнеч у мінеральному остові

(6.6.9)

де g- об'ємна маса асфальтобетонного зразка;

Б пр- вміст бітуму в пробній суміші, %;

r м- Середня щільність мінерального матеріалу:

(6.6.10)

де у щ,у п , у мп- вміст щебеню, піску, мінерального порошку у % за масою;

r щ,r п , r мп- Щільність щебеню, піску, мінерального порошку.

Розрахункова формула для визначення оптимального вмісту бітуму матиме вигляд

(6.6.11)

де r б- Щільність бітуму;

j- коефіцієнт заповнення порожнеч мінеральної суміші бітумом, що залежить від заданої залишкової пористості

де П о- пористість мінерального остова асфальтобетону, % обсягу;

П- Задана залишкова пористість асфальтобетону при 20°С, % обсягу.

Холодний асфальтобетон

Склад холодного асфальтобетону можна розрахувати за типовими складами або методикою, що застосовується для розрахунку гарячих сумішей, з обов'язковою перевіркою фізико-механічних властивостей у лабораторії. Кількість рідкого бітуму знижують на 10...15 % проти оптимального, щоб зменшити спостереження.

Характерною рисою холодного асфальтобетону, що відрізняє його від гарячого, є здатність залишатися тривалий час після приготування пухкого стану. Ця здатність холодних асфальтобетонних сумішей пояснюється наявністю тонкої бітумної плівки на мінеральних зернах, внаслідок чого мікроструктурні зв'язки в суміші настільки слабкі, що невелике зусилля призводить до їхнього руйнування. Тому приготовлені суміші під дією власної маси при зберіганні у штабелях та транспортуванні не злежуються. Суміші протягом тривалого часу (до 12 місяців) залишаються у пухкому стані. Їх можна легко перевантажувати в транспортні засоби і розподіляти тонким шаром при влаштуванні дорожніх покриттів.

Зернові склади холодних асфальтобетонних сумішей відрізняються від складів гарячих сумішей у бік підвищеного вмісту мінерального порошку (до 20 %) – частинок дрібніших за 0,071 мм та зниженого вмісту щебеню (до 50 %). Підвищена кількість мінерального порошку викликана застосуванням рідкого бітуму, що вимагає структуроутворення більшої кількості порошку, а при вмісті щебеню більше 50% погіршуються умови формування покриття. Найбільший розмір зерен у холодному асфальтобетоні становить 20 мм. Більший щебінь погіршує умови формування покриття.

Як велику складову для холодного асфальтобетону використовують щебінь, що отримується дробленням скельних гірських порід і металургійних шлаків. Ці матеріали повинні мати міцність при стисканні не менше 80 МПа, а для II марки асфальтобетону - не нижче 60 МПа.

Для приготування холодного асфальтобетону застосовують такий же мінеральний порошок та пісок, що й для гарячих сумішей.

Рідкі бітуми повинні мати в'язкість у межах що відповідає маркам СГ 70/130 МГ 70/130. В'язкість та клас бітуму вибирають з урахуванням передбачуваного терміну зберігання суміші на складах, температури повітря при зберіганні та застосуванні, а також якості мінеральних матеріалів. Холодні асфальтобетонні суміші використовують для влаштування дорожніх покриттів за інтенсивності руху до 2000 автомобілів на добу.

Литий асфальтобетон

Литий асфальтобетон є спеціально запроектованою сумішшю щебеню, піску, мінерального порошку і в'язкого бітуму, приготовлену і укладену в гарячому стані без додаткового ущільнення. Від гарячого асфальтобетону литий відрізняється великим вмістом мінерального порошку та бітуму, технологією приготування та методом укладання. Литий асфальтобетон застосовують як дорожнє покриття на автомобільних дорогах, на проїжджій частині мостів, а також для влаштування підлог у виробничих будівлях. Ремонтні роботи з використанням литих сумішей можна виконувати за температури повітря до -10°С. Особливістю виконання робіт є необхідність безперервного перемішування литої суміші при її транспортуванні до місця укладання.

Для приготування литого асфальтобетону застосовують щебінь (великістю до 40 мм), природний або подрібнений пісок. Щебінь, висівки та пісок мають бути високосортними, як і для звичайного гарячого асфальтобетону. Як терпкий застосовують бітуми БНД 40/60. Відповідно до ТУ 400-24-158-89 литі суміші поділяють на п'ять типів (табл. 6.6.11).

Таблиця 6.6.11

Класифікація литих асфальтобетонних сумішей

До позитивних властивостей литого асфальтобетону відносять довговічність, невеликі витрати на ущільнення, водонепроникність. При реконструкції дороги існуюче покриття з литого асфальтобетону може бути використане в повному обсязі і майже без додавання нових матеріалів.

Дегтебетон

Дегтебетон залежно від в'язкості дьогтю та температури сумішей при укладанні поділяють на гарячий та холодний. За фізико-механічними властивостями дьогтебетон поступається асфальтобетону, оскільки має меншу міцність і теплостійкість.

Дегтебетон залежно від виду кам'яного матеріалу поділяють на щебеневий, гравійний та піщаний. Для приготування дьогтебетону застосовують ті ж мінеральні матеріали, що й для асфальтобетону, вимоги до них аналогічні. Як в'яжучий застосовують дорожній кам'яновугільний дьоготь: для гарячого дьогтебетону – Д-6, для холодного – Д-4 та Д-5. Дігті застосовують як промислового виготовлення, так і приготовані безпосередньо на асфальтобетонному заводі шляхом окислення або змішування піску з розріджувачем (антраценовим маслом, кам'яновугільною смолою та ін.).

Розрахунок складу дьогтебетону може бути виконаний так само, як і асфальтобетону, при цьому основна увага має бути звернена на ретельний підбір кількості дьогтю, так як невелике відхилення вмісту його в суміші помітно впливає на властивості дьогтебетону.

Для приготування гарячого дьогтебетону застосовують дьогті з в'язкістю значно меншою, ніж в'язкість бітуму для відповідного виду асфальтобетону. Знижена в'язкість дьогтю обумовлює послаблення внутрішніх структурних зв'язків, що може бути компенсовано підвищенням внутрішнього тертя мінеральної частини. Для цього необхідно застосовувати кам'яні матеріали із зернами незграбної форми та шорсткою поверхнею, а також замінювати частину або весь природний пісок із окатаними зернами на висівки. Для приготування дьогтебетонних сумішей можна застосовувати щебінь з кисліших порід (кварцові пісковики, багаті кварцем граніти та ін.).

Щільний дьогтебетон застосовують для влаштування покриттів на дорогах II...IV категорій. За санітарно-гігієнічними умовами пристрій верхніх шарів покриттів із дьогтебетону дозволено лише поза населеними пунктами. При приготуванні дьогтебетонних сумішей необхідно дотримуватися спеціальних правил техніки безпеки.

Дегтебетонну суміш готують в асфальтобетонних установках із мішалками примусової дії. Внаслідок зниженої в'язкості дьогтю обволікання ним зерен мінерального матеріалу протікає краще, ніж при застосуванні бітумів, внаслідок чого скорочується час для змішування матеріалів. З цієї причини полегшується ущільнення сумішей при влаштуванні покриттів. Коефіцієнт ущільнення, що є відношенням товщини шару укладеної суміші до ущільнення до товщини ущільненого покриття, може бути рівним 1,3...1,4.

При виробництві дьогтебетонної суміші необхідно суворо дотримуватися встановленого температурного режиму, оскільки дьоготь більш чутливий до зміни температури, ніж бітум (табл. 6.6.12).

Таблиця 6.6.12

Температурний режим при приготуванні та укладання дьогтебетону

За фізико-механічними властивостями дьогтебетон поступається асфальтобетону: він має меншу міцність, теплостійкість. Але при цьому відрізняється підвищеною зносостійкістю. Дегтебетонне покриття має підвищену шорсткість, вищий коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою, підвищену безпеку руху. Це пов'язано з меншою в'язкістю дьогтів, слабкішими когезійними силами міжмолекулярної взаємодії, наявністю летючих складових. Летючі речовини у складі дьогтю прискорюють термін формування структури дьогтебетону в покритті, а також сприяють більш інтенсивній зміні його властивостей. Дегтебетон менш пластичний у порівнянні з асфальтобетоном, що також пов'язано зі складом та структурою дьогтів, які складаються переважно з ароматичних вуглеводнів, які утворюють жорсткіші структурні зв'язки у в'яжучих матеріалах та при знижених температурах погано деформуються, внаслідок чого у покриттях утворюються тріщини.

Контроль за виготовленням дьогтебетонної суміші на заводі та при влаштуванні дьогтебетонного покриття, а також методи випробування дьогтебетону такі самі, як і асфальтобетону.

Найдорожчий дорожньо-будівельний матеріал у 20 столітті - асфальт - поділяється на безліч видів, марок і типів. Підставою для поділу служить не тільки і не стільки перелік вихідних компонентів, що входять в асфальтобетонну суміш, скільки співвідношення їх масових часток у складі, а також деякі характеристики складових - зокрема, розмір фракцій піску і щебеню, ступінь очищення мінерального порошку і того ж піску.

Склад асфальту

В асфальті будь-якого типу та марки є пісок, щебінь або гравій, мінеральний порошок та бітум.Втім, що стосується щебеню, то при приготуванні деяких видів дорожнього покриття він не використовується – але якщо асфальтування територій проводиться з урахуванням високого трафіку та сильних короткочасних навантажень на покриття, то щебінь (або гравій) необхідний – як каркасутворювальний захисний елемент.

Мінеральний порошок- обов'язковий вихідний елемент для виготовлення асфальту будь-яких марок і типів. Як правило, масова частка порошку - а він виходить шляхом дроблення порід, в яких високий вміст сполук вуглецю (простіше кажучи - з вапняків та інших органічних відкладень, що закам'яніли) - визначається виходячи з завдань і вимог до в'язкості матеріалу. Великий відсоток мінеральних порошків дозволяє використовувати його в таких роботах як асфальтування доріг та майданчиків: в'язкий (тобто міцний) матеріал успішно гаситиме внутрішні коливання мостових конструкцій, не тріскаючись.

У більшості типів та марок асфальту використовується пісок- виняток, як ми казали, становлять типи дорожнього покриття, де велика масова частка гравію. Якість піску визначається не тільки ступенем його очищення, але і способом отримання: здобутий відкритим способом пісок потребує, як правило, ретельного очищення, а ось пісок штучний, що отримується при дробленні скельних порід, вважається вже готовим до роботи.

Зрештою, бітум- наріжний камінь промисловості виробництва дорожнього покриття. Продукт переробки нафти, бітум міститься у суміші будь-якої марки у дуже невеликій кількості - його масова частка у більшості сортів навряд чи досягає 4-5 відсотків. Хоча, що широко використовується при таких роботах як асфальтування територій зі складним рельєфів та ремонті доріг, литий асфальт може похвалитися вмістом бітуму в 10 і більше відсотків. Бітум надає такому полотну неабиякої пружності після затвердіння і плинності, що дозволяє легко розподіляти готову суміш по майданчику.

Марки та типи асфальту

Залежно від процентного змісту у складі перерахованих компонентів, виділяють три марки асфальту. Технічні характеристики, область застосування та склад суміші різних марок описуються в ГОСТ 9128-2009, в якому, крім усього іншого, враховано та можливість додавання додаткових присадок, що збільшують морозостійкість, гідрофобність, гнучкість або зносостійкість покриття.

Залежно від відсоткового змісту наповнювача, що у складі дорожньо-будівельної суміші, її поділяють такі типи:

А – 50-60% щебеню;
Б – 40-50% щебеню або гравію;
В – 30-40% щебеню або гравію;
Г – до 30% піску з відсіву дроблення;
Д - до 70% піску або суміші з відсіванням дроблення.

Асфальт марки 1

Під цією маркою виготовляється широкий діапазон різних типів покриттів – від щільних до високопористих, зі значним вмістом щебеню. Область їх використання- дорожнє будівництво і благоустрій: ось тільки пористі матеріали не годяться на роль власне покриття, верхнього шару дорожнього полотна. Куди краще використовувати їх для влаштування підстав, вирівнювання основи під укладання більш щільних типів матеріалу.

Асфальт марки 2

Діапазон щільності приблизно той же, проте вміст і відсоткове співвідношення піску та гравію можуть змінюватись у вельми широких межах. Цей цей «середньостатистичний» асфальт, з дуже великою сферою застосування:і будівництво автомобільних доріг, і їх ремонт, і облаштування територій під паркінги і площі не обходяться без нього.

Асфальти марки 3

Покриття марки 3 відрізняються тим, що при їх виготовленні не використовується щебінь або гравій - замінюють їх мінеральні порошки і особливо якісний пісок, що отримується шляхом дроблення твердих гірських порід.

Співвідношення піску та щебеню (гравію)

Співвідношення вмісту піску та гравію - один з найважливіших показників, що визначає сферу застосування того чи іншого типу покриття. Залежно від превалювання того чи іншого матеріалу його позначають літерами від А до Д:А - більш ніж наполовину складається з дрібнофракційного щебеню або гравію, а Д - приблизно на 70 відсотків складається з піску (щоправда, пісок використовується здебільшого із подрібнених гірських порід).

Співвідношення бітуму та мінеральних складових

Не менш важливе - адже саме воно визначає характеристики міцності дорожнього полотна. Високий вміст мінеральних порошків суттєво збільшує його крихкість. Тому піщані асфальти можуть застосовуватися лише обмежено:благоустрій територій парків чи тротуарів. А ось покриття з великим вмістом бітуму - бажаний гість на будь-яких роботах: особливо якщо це дорожнє будівництво в суворих кліматичних умовах, при мінусових температурах, якщо швидкість робіт така, що вже через добу новим полотном піде дорожня техніка, а після здачі готової дороги - кинуться великовантажні автомобілі.