▲ Наверх ▲

Статьи

Superpave. Спецификация битумного вяжущего

Posted by Alexander Aikashev on 25.05.17 16:49

Данная публикация является попыткой краткого изложения требований Superpave к битумным вяжущим покрытий, обладающих необходимой устойчивостью к колееобразованию, низкотемпературному и усталостному растрескиваниям. Оригинальный документ - Superpave Fundamentals, разработанный и опубликованный Федеральной Дорожной Администрацией и Департаментом Транспорта США.

Superpave – это акроним Superior Performance Asphalt Pavements (асфальтовые покрытия с превосходными характеристиками). Superpave является продуктом программы стратегических исследований в области автомобильных дорог (Strategic Highway Research Program, SHRP). Система Superpave включает в себя специфицирование битумного вяжущего на основе результатов новых методов изучения его физических свойств, проведение ряда тестов для минеральных компонентов смеси и их спецификацию, проектирование и испытание горячих асфальтобетонных смесей и программное обеспечение для объединения компонентов системы. Уникальная особенность Superpave заключается в том, что условия проведения испытаний достаточно реалистичны.

В спецификации Superpave все марки вяжущего должны соответствовать одним и тем же требованиям к эксплуатационным показателям, определяемым для разных классов покрытия при разных температурах. Значения температур выбираются в зависимости от климатических условий места применения вяжущего. В Superpave испытания вяжущего проводятся при высокой и низкой температурах эксплуатации, что является существенным отличием от применяемой ранее системы специфицирования по вязкости и пенетрации, определяемых при одной и той же температуре для всех марок вяжущего.

Спецификация вяжущего в Superpave напрямую связана с тремя типами разрушения покрытия:

  • колееобразованием, вызванным постоянной деформацией дорожного покрытия;
  • усталостным растрескиванием, связанным с энергией, адсорбированной покрытием в ходе повторяющихся нагрузок;
  • термическим растрескиванием, вызванным накоплением напряжения в покрытии при его охлаждении до низких температур.

Устойчивость покрытия к каждому из этих типов разрушений зависит от параметров, определяемых реологией вяжущего.

Написание класса Superpave содержит два параметра и имеет вид PG X-Y. Высокотемпературный параметр, Х, отражает летнюю температуру, заложенную в проект, и является максимальной температурой, при которой ожидается удовлетворительная устойчивость покрытия к колееобразованию. Низкотемпературный параметр, Y, отражает заложенную в проект зимнюю температуру и является минимальной температурой, при которой ожидается устойчивость покрытия к термическому растрескиванию. Например, класс покрытия PG 58-34 применяется для условий, где проектная летняя температура покрытия равна 58 0С, а проектная зимняя температура –34 0С. Разница между соседними классами покрытия для обоих параметров составляет 6 0С. Во избежание неудовлетворительной оценки устойчивости к усталостным разрушениям, дополнительно спецификация предъявляет требования к определенной промежуточной температуре. Эта промежуточная температура является функцией двух крайних температур и поэтому не указывается при обозначении класса PG.

Спецификация предъявляет три требования к вяжущему при условиях производства смеси и строительства асфальтового покрытия:

  • требование к вязкости при 135 0С (максимум 3 Па*сек) контролирует поведение вяжущего при переработке на заводе, производстве, укладке и уплотнении асфальтовой смеси,
  • требование к температуре воспламенения (минимум 230 0С) определяет муаксимальную температуру безопасного обращения с вяжущим,
  • испарение летучих компонентов во время приготовления смеси и укладки покрытия контролируется требованием к потере массы (максимум 1%) при быстром старении вращающейся тонкой пленки вяжущего в сушильном шкафу (RTFO).

Спецификация Superpave предполагает, что при лабораторной оценке характеристик вяжущее должно быть в таком же состоянии [или в максимально приближенном], в котором оно находится в реальном дорожном покрытии. Для имитации состояния вяжущего в эксплуатируемом асфальтовом покрытии в Superpave применяются два типа старения. Быстрое старение в тесте RTFO имитирует потерю летучих компонентов и окисление вяжущего во время производства асфальтовой смеси. Медленное старение PAV, реализуемое в цилиндре под давлением, имитирует окисление вяжущего в процессе эксплуатации покрытия, исчисляемом десятком лет. Медленно состаренные образцы используются для качественного описания изменений характеристик покрытия. Температура медленного старения PAV определяется летней температурой места нахождения асфальтового покрытия. Более горячий климат требует старения при более высокой температуре.

Устойчивость покрытия к колееобразованию.

Устойчивость покрытия к колееобразованию в основном определяется характеристиками его минеральных компонентов и дизайна смеси, при этом характеристики вяжущего являются вторичным по значимости фактором. Во время нагрузки материал ползет. Характер первоначального отклика материала на приложенную нагрузку – эластичный, но спустя некоторое время характер отклика становится в заметной степени вязким. Напряжение сдвига пропорционально приложенной нагрузке и деформация является откликом материала, к которому приложена эта нагрузка. Обратная величина модуля сдвига, J(t) - податливость при ползучести, являющаяся отношением деформации сдвига к напряжению сдвига, характеризует ползучесть материала при сдвиговой нагрузке. После снятия нагрузки материал релаксирует и большая часть деформации, но не вся, восстанавливается. Вязкая податливость (t/η) - постоянная деформация, полученная от приложения единичной нагрузки (напряжения), является вкладом нагрузки от прохода колеса в процесс образования колеи в дорожном покрытии. Глубина колеи является результатом накопления небольших постоянных деформаций, вызванных повторяющейся нагрузкой от прохождения колес.

Это поведение характеризуется в спецификации Superpave комплексным модулем сдвига (G*), определяемым на реометре динамического сдвига (Dynamic Shear Rheometer - DSR). В реометре образец вяжущего помещается между двумя параллельными пластинами, к которым применяется осциллирующее напряжение или деформация. Приложение осциллирующего напряжения приводит к осциллирующему деформационному отклику материала. Деформационный отклик имеет ту же частоту, что и приложенное напряжение, но отстает по фазе на угол δ. В DSR испытаниях определяются значения модуля сдвига и фазового угла. Комплексный модуль сдвига рассчитывается как отношение максимального напряжения к максимальной деформации. Следует отметить, что напряжение и деформация не измеряются одновременно. Следовательно, G* и его обратная величина, J*, неточно отражают происходящие в покрытии процессы. Более того, есть точные, но математически очень сложные отношения между этими величинами и вязкой податливостью (t/η). Но более удобно измерять динамические, а не более точно описывающие переходные вязкоэластичные свойства, что и объясняет применение первых в спецификации Superpave.

Устойчивость к постоянной деформации (η/t) обратно пропорциональна вязкой податливости. Это приблизительно, но не точно, равно обратной величине потери при податливости, определяемой DSR. Обратная величина потери при податливости может быть выражена через модуль сдвига как G*/sin δ. Этот параметр устойчивости покрытия к колееобразованию в спецификации Superpave ограничен условиями для исходного вяжущего и быстро состаренного (RTFO) материала. Более важным является ограничение для состаренного материала (RTFO), который имитирует вяжущее сразу после завершения укладки и уплотнения асфальтобетона, когда покрытие наиболее подвержено колееобразованию. Ограничение для исходного вяжущего предъявляется с целью защиты покрытия от колееобразования на случай, если затвердевание вяжущего во время приготовления смеси и укладке и уплотнении асфальтобетона произошло в меньшей степени, чем ожидалось.

Параметр устойчивости покрытия к колееобразованию
Исходное вяжущее: G*/sin δ > 1,0 кПа
Быстро состаренное вяжущее: G*/ sin δ > 2,2 кПа

Устойчивость покрытия к усталостным разрушениям.

Основным фактором, влияющим на усталостную устойчивость покрытия, является его структурный дизайн в плане толщин покрытия и зернистости основания. Тем не менее, жесткость вяжущего и дизайн смеси влияют на жесткость смеси, что важно при определении уровня напряжения в нижней части покрытия, где начинается развитие процесса усталостного растрескивания. Для толстых покрытий жесткая смесь ограничивает напряжение в нижней части покрытия посредством распределения напряжения на более широкую область. Для тонких покрытий необходима смесь с небольшой жесткостью, чтобы ограничить напряжение, вызванное большими смещениями грунта. Лабораторные изучения показали, что усталостное разрушение в смесях покрытия подвержено циклическим нагрузкам, увеличивающимся с повышением энергии диссипации. Область критической температуры для усталостного растрескивания находится в районе средней точки между максимальной и минимальной температурами эксплуатации. Эта область также находится вблизи значения среднегодовой температуры. При температурах ниже замерзания возможно лишь незначительное отклонение покрытия под нагрузкой, таким образом, возможна только незначительная энергия диссипации и незначительное усталостное разрушение. При высоких температурах эксплуатации вязкое течение вяжущего приводит к небольшим накоплениям усталостного разрушения. Часть этого эффекта может быть обусловлена залечиванием разрушения. Параметр устойчивости к усталостному разрушению в спецификации Superpave также основывается на результатах теста DSR и описывается величиной G* sin δ, модулем вязкости для циклических нагрузок. Это мера энергии диссипации, которая определяет усталостное разрушение и ограничено величиной 5,0 МПа, установленной по результатам наблюдений эксплуатации тестовых покрытий.

Параметр устойчивости к усталостному разрушению
G* sin δ < 5,0 МПа

Устойчивость к термическому растрескиванию.

Пределы жесткости при ползучести (S) и абсолютное значение наклона обобщенной зависимости жесткости (m) определяют характеристики вяжущего, не подверженного растрескиванию при термических напряжениях при проектных зимних температурах. Пределы спецификации Superpave для медленно состаренных материалов (PAV старение), полученные испытанием реометром изгибания бруска (BBR), составляют S0,300 при проектной температуре.

Изначально ограничения выдвигались из предположения, что время нагрузки составляет 7200 сек. Для простоты измерения проводят при температурах на 10 0С выше проектной со временем приложения нагрузки 60 сек. Предположение равноценности условий испытаний базируется на температурно-временной зависимости вяжущего и принципе суперпозиций.

Реометр изгибания бруска используется для измерения жесткости S(t) вяжущего при ползучести. В процессе измерения принимаются специальные меры предосторожности, чтобы гарантировать, что деформации в испытуемом материале малы и для оценки жесткости материала брусков с небольшой погрешностью можно применять формулу эластической деформации. В BBR испытаниях также определяется наклон обобщенной зависимости жесткости (m), который является индикатором реологического поведения вяжущего и его способности релаксировать напряжения при температуре испытания.

Прибор для испытаний при продольном растяжении (DTT) измеряет деформацию при разрушении вяжущего при продольном растяжении. Напрямую этот параметр не связан с температурным растрескиванием, поскольку материал удерживается в покрытии до образования растрескивания. Определяемая деформация характеризует жесткость материалов, способных накапливать большие деформации без разрушения. Метод DTT используется только тогда, когда вяжущее не соответствует требованиям жесткости, но имеет значения m > 0,30 и S < 600 МПа.

Проектная температура для низкотемпературных характеристик.

Проектная зимняя температура для выбора вяжущего – это наиболее низкая из ожидаемых температур покрытия. Изначально в системе дизайна Superpave использовался подход, предложенный моделью SHRP, в которой минимальная температура покрытия принималась равной наиболее низкой температуре воздуха, ожидаемой в течение предполагаемого срока службы покрытия. Этот подход предъявлял требования к вяжущим, пригодным для применения при экстремально низких температурах северного климата. Канадский опыт показал, что при низких температурах модель SHRP становится слишком консервативной и температуры покрытия переоцениваются до 15 0С. Поэтому была разработана модель LPTT (Long Term Pavement Performance), в которой при оценке низких температур покрытия помимо температуры воздуха учитывались географическое месторасположение (широта и высота местности) и толщина покрытия. Помимо этого было проведено согласование новой модели с данными сезонного мониторинга низких температур воздуха и покрытия, определенных в трех разных точках верхнего слоя покрытия (приблизительно на 25 мм ниже верхней поверхности покрытия, в среднем слое и на 25 мм выше нижней поверхности слоя) для холодных месяцев (ноябрь – март). Согласованная модель LTPP описывала низкую температуру покрытия следующей зависимостью:

Tpav = -1,56 + 0,72 Tair – 0,004 Lat2 + 6,26 lg (H + 25) – z (4,4 + 0,52 σ2air)1/2

где
Tpav = низкая температура а/б покрытия, определяемая ниже поверхности, 0С.
Tair = низкая температура воздуха, 0С.
Lat = широта местности, градусы.
H = глубина до покрытия, мм.
Z = для нормального стандартного распределения z=2,055 для 98% надежности.
σair = стандартное отклонение годовой низкой температуры воздуха, 0С.
Статистика: R2 = 96%, N = 411, SEE = 2,1

Заключительные ремарки.

Среднее содержание вяжущего в асфальтобетонной смеси составляет около 5,5%масс, но его степень влияния на эксплуатационные характеристики дорожного покрытия намного больше. Согласно данным SHRP (проводились лабораторные испытания, имитирующие разрушающие покрытие процессы), влияние вяжущего на устойчивость покрытия к постоянной деформации, усталостным нагрузкам и термическому растрескиванию составляет 29%, 52% и 87%, соответственно. Оценка проводилась относительно таких факторов, как характеристики минеральных компонентов и дизайн смеси покрытия. Устойчивость покрытия к колееобразованию контролируется, в первую очередь, дизайном смеси и характеристиками минеральных компонентов. Свойства вяжущего важны при сопротивлении повторяющимся усталостным нагрузкам, но характеристики смеси и минеральных компонентов, которые влияют на жесткость смеси, имеют такую же степень важности. Структура покрытия (толщина среднего слоя асфальтового покрытия и его фракционный состав, характеристики почвы) является более важным фактором по сравнению со свойствами вяжущего или смеси при определении устойчивости покрытия к усталостным разрушениям. Свойства вяжущего являются доминирующим фактором, контролирующим устойчивость покрытия к термическому растрескиванию. Таким образом, в выборе вяжущего покрытия, устойчивость покрытия к термическому растрескиванию должна обсуждаться в первую очередь.