Глава 1. Описание проблемы сегрегации
Вопросы, связанные с качеством и долговечностью автомобильных дорог, — предмет непрекращающихся дискуссий в профессиональном сообществе, начиная с проектирования и подбора смесей и заканчивая методиками проведения работ на объектах и применяемыми техническими решениями. На конечный результат влияет множество факторов, и определенные критерии качества закладываются еще на этапе проектирования.
Предположим, что удалось достичь идеальных условий на всех стадиях подготовки к укладке верхнего слоя асфальтобетонного покрытия. У нас есть безупречный проект, включающий в себя самые современные требования к материалам, в лаборатории подобрана идеальная смесь согласно всем требованиям категории данной дороги и климатическим особенностям, и используются самые современные асфальтоукладчики и уплотнители ведущих мировых производителей. Работы проводятся в штатном режиме в теплую и сухую погоду, однако в ходе эксплуатации через некоторое время все равно появляются преждевременные деформации на верхнем слое покрытия.
Данная проблема является предметом дискуссии в мировом дорожном сообществе уже много лет, и началом ее решения стало обнаружение зависимости между наличием температурной сегрегации и плотностью асфальтобетонной смеси. Выделяют два типа сегрегации: фракционную и температурную.
1.1 Причины возникновения зерновой сегрегации и её виды
В процессе производства и укладки асфальтобетонной смеси: при её смешивании, загрузке грузовых автомобилей, транспортировке и выгрузке в асфальтоукладчик, смесь может подвергнуться фракционной сегрегации, что, в свою очередь, ведёт к возникновению «сегрегационных пятен» и, впоследствии, неизбежно приводит к преждевременному локальному разрушению асфальтобетонного покрытия.
При возникновении сегрегации в смеси происходит концентрация крупнозернистых материалов в некоторых участках покрытий в то время, как другие участки включают концентрацию мелкозернистых материалов.
Первым и немаловажным фактором по обеспечению качества асфальтобетонного покрытия является обеспечение рационально подобранного зернового состава а/б смеси. Как описывает Б.С. Радовский, несоблюдение этого правила простейшим образом влечёт за собой возникновение фракционной сегрегации. Это возникает путём просеивания мелких зерен сквозь промежутки между крупными. Просеивание происходит под действием силы тяжести при вертикальных или горизонтальных колебаниях (рис. 1).
Рисунок 1 - Просеивание мелких зерен через промежутки между крупными
В результате внизу слоя будет больше мелких зерен, чем в его верхней части. Просеивания не будет, если промежутки между крупными зернами меньше размера мелких, и это учитывают при подборе зернового состава каменного материала асфальтобетонной смеси. [22]
Сегрегация создает смеси, неоднородные по заданному гранулометрическому составу.
Анализируя зарубежный опыт изучения фракционной сегрегации, необходимо отметить документ, подготовленный в 1997 году Объединённой группой по сегрегации (организованной AASHTO и NAPA), QIP 110 «Сегрегация. Причины и средства устранения».
Относительно фракционной сегрегации, данный документ выделяет следующие 5 типов:
1) Концевая сегрегация от грузовых автомобилей: На рисунке 2 показан участок автомобильной дороги с сегрегационными пятнами, часто называемыми крыльями, возникающими в продольном направлении и на каждой стороне укладываемой полосы. Эти крылья образуют пятна крупнозернистого заполнителя, отделенные от однородной смеси. Они, как правило, характеризуются более прерывистым гранулометрическим составом, чем это требуется по проекту, и разрушаются за очень короткий период времени, приводя к появлению выбоины на дороге. Менее серьезная концевая сегрегация от грузовых автомобилей может не проявляться, если автомобильная дорога не эксплуатировалось в течение нескольких месяцев. Концевая сегрегация от грузовых автомобилей обычно является следствием неправильной загрузки грузовых автомобилей, сегрегации в силосе, неправильной разгрузки грузовых автомобилей или эксплуатации бункера в порожнем состоянии между загрузками.
Рисунок 2 - Концевая сегрегация от грузовых автомобилей
2) Сегрегация по центральной линии: вторым наиболее распространенным типом сегрегации является сегрегация по центральной линии (см. рисунок 3). Данная сегрегация обычно имеет место в центре полосы, и, в первую очередь, она является следствием отделения крупнозернистого заполнителя при его разгрузке из конвейерной системы в зону шнека. После чего заполнитель скатывается под цепной привод шнека или редуктор и концентрируется в центре укладываемого дорожного покрытия.
Рисунок 3 - Сегрегация по центральной линии
3) Сегрегация по шву/краям: На рисунке 4 показан следующий распространенный тип сегрегации, который имеет место снаружи или по внешним краям укладываемого дорожного покрытия. Обычно это является следствием того, что шнеки на асфальтоукладчике не работают с достаточной скоростью, позволяя крупнозернистому заполнителю скатываться к наружной стороне покрытия.
Рисунок 4 - Сегрегация по шву/краям
4) Концевая сегрегация от грузовых автомобилей/односторонняя: Этот тип сегрегации показан на рисунке 5. Это особый случай концевой сегрегации от грузовых автомобилей, который, как правило, является следствием неправильной загрузки дозатора в горячем накопительном бункере.
Рисунок 5 - Концевая сегрегация от грузовых автомобилей/односторонняя
5) Беспорядочная сегрегация: Сегрегация беспорядочного типа показана на рисунке 6. Причина этого типа сегрегации наиболее трудна для определения. Обычно этот тип сегрегации происходит, когда имеет место неправильное смешивание на дозировочной установке или в барабанном смесителе, но может также иметь место в других местах процесса.
Рисунок 6 - Беспорядочная сегрегация
Особо необходимо обратить внимание на важность правильного подбора состава асфальтобетонной смеси и учитывать следующие рекомендации по её проектированию согласно QIP 110 «Сегрегация. Причины и средства устранения»:
«Правильное проектирование состава смеси очень важно в решении задач по исключению сегрегации. Смеси распределяются по категориям, как смеси с гранулометрическим составом, дающим плотную смесь (с равномерным гранулометрическим распределением заполнителя) или смеси с пропуском некоторых фракций (фракционный состав в гранулометрическом составе заполнителя, в котором немного материала или материал отсутствует). В случае смесей с гранулометрическим составом, дающим плотную смесь, можно компенсировать ошибки, совершаемые в работе установки или при операциях укладки, без значительного влияния на эксплуатационные характеристики смеси.
Для того, чтобы избежать сегрегации, смеси с пропуском некоторых фракций могут потребовать большего внимания для уточнения при укладке и обработке, чем смеси с гранулометрическим составом, дающим плотную смесь. Если смесь представляет собой смесь со значительным пропуском фракций с низким содержанием битума, то могут возникнуть трудности по предотвращению сегрегации, независимо от используемых методов. В случае смесей с пропуском фракций проблемы с сегрегацией могут быть минимизированы благодаря исключительному вниманию и/или использованию добавок смеси.
Возможно, единственным, наиболее важным, критерием в определении подверженности состава смеси сегрегации, является содержание битума. Смеси с низким содержанием битума характеризуются гораздо большей тенденцией к сегрегации, чем смеси, характеризующиеся высоким содержанием битума, независимо от гранулометрического состава.
Смеси с пропуском фракций могут быть успешно использованы. Однако, для этих смесей могут потребоваться волокна или полимеры, позволяющие использовать более высокое содержание битума, что делает пленку более толстой. Во многих смесях небольшое увеличение содержание битума (часто всего лишь 0,2 процента) значительно снижает сегрегацию. Увеличенная толщина пленки увлажняет контакт между частицами и снижает тенденцию смеси по разделению в точках перехода на всем протяжении процесса.
Линия максимальной плотности может использоваться как указание к пониманию гранулометрического состава заполнителя. Линия максимальной плотности представляет собой гранулометрический состав, при котором частицы заполнителя устанавливаются вместе максимально возможным плотным способом. Для построения линии максимальной плотности используется график гранулометрического состава в степени 0,45, показанный на рисунке 7. Проведите прямую линию от максимального размера заполнителя через нулевую точку.
Рисунок 7 - Линия максимальной плотности
Опыт подсказывает, что смеси с гранулометрическим составом, который попадает прямо на линию максимальной плотности, не следует производить. Зачастую, в такой смеси не имеется достаточно места для жидкого битума, в результате чего получается смесь пластического типа. Следует выбирать смесь гранулометрических составов в двух до четырех точках ниже кривой, если требуется смесь с крупнозернистой структурой. (См. рисунок 8).
Рисунок 8 - Выбор смесей
Эти изгибающиеся вверх и вниз кривые обычно дают хорошую, нейтрализующую ошибки смесь.
Редко смесь, которая располагается на линии максимальной плотности, содержит достаточно пустот в минеральном заполнителе особенно, если состав характеризуется относительно высоким процентом подгрохотного материала 0,075 мм. Гранулометрический состав, выбранный на линии, приблизительно параллельной линии максимальной плотности, позволяет получить однородную по гранулометрическому составу смесь, у которой почти отсутствует тенденция к сегрегации. Однако, линия максимальной плотности должна использоваться только как руководящая линия по однородному гранулометрическому составу.
Также в документе рассмотрены случаи возникновения сегрегации в процессе производства и укладки асфальтобетонных смесей, с описанием характерных мест её образования в технологическом процессе. Даны рекомендации по устранению факторов, влияющих на появление сегрегации. Отдельно расписан механизм работы перегружателей и их возможный вклад в борьбе с сегрегацией в процессе укладки асфальтобетонных смесей:
«Трудности, связанные с традиционной разгрузкой асфальтобетонной смеси из грузового автомобиля в асфальтоукладчик при обеспечении непрерывного движения асфальтоукладчика очевидны. На рисунке 9 показаны два транспортных средства для перегрузки асфальтобетонной смеси (перегружатели), которые созданы для устранения озвученных проблем. Перегружатели делают возможным остановку самосвала на соответствующем расстоянии перед асфальтоукладчиком с последующим выгрузкой всего асфальтобетона без движения. (См. рисунок 9). Перегружатели вмещают от 25 до 30 тонн смеси.
Рисунок 9 - Транспортные средства для переноса материала
Перегружатели предназначены для исключения появления сегрегации, которая могла бы иметь место во время выгрузки, однако, не в состоянии исправить непригодные составы смеси.
Рисунок 10 - Транспортное средство для переноса материала, работающее на соседней полосе
Перегружатели могут быть эффективными в исключении концевой сегрегации грузовых автомобилей и беспорядочной сегрегации благодаря способности агрегата повторно перемешивать смесь шнеками. Получающаяся ровность дорожного покрытия свидетельствует об очень хорошем качестве».[28]
1.2 Методы определения зерновой сегрегации
Для контроля АБ смеси и выявления зерновой сегрегации существует специальный прибор под названием – асфальтоанализатор.
Асфальтоанализатор — установка, предназначенная для экстракции и определения содержания битума в асфальтобетонных смесях, отделения каменного материала от вяжущего с использованием пожаробезопасного растворителя Трихлорэтилена.
Асфальтоанализатор в его нынешнем виде был разработан и спроектирован в Германии компанией InfraTest Pruftechnik GmbH в конце 90х годов 20 века. На сегодняшний день существуют различные модификации асфальтоанализатора, позволяющего также экстрагировать не только вяжущее, но и резиновые добавки в асфальтобетоне.
После транспортировки АБ смеси производится отбор смеси в разных точках автомобиля-самосвала, а также возможен отбор кернов из покрытия.
Асфальтобетонная смесь массой до 3,5 кг загружается в промывочный барабан асфальтоанализатора. Под управлением встроенного компьютера внутри установки начинается процесс отделения вяжущего от минеральной части асфальтобетона, при этом на него оказывается следующее воздействие:
• Растворитель Трихлорэтилен растворяет вяжущее
• Нагревательные элементы повышают температуру в промывочном барабане до 75 °С для размягчения вяжущего и ускорения процесса вымывания
• Гравитационное перемешивание разделяет образец асфальтобетона на вяжущее и минеральную часть.
• Ультразвуковое воздействие позволяет извлечь минеральный порошок даже из пор минеральной части
После завершения процедуры экстракции, асфальтоанализатор позволяет получить чистые, готовые к дальнейшим исследованиям разделенные материалы:
• Битум
• Каменный материал
• Минеральный порошок
• в случае испытания щебеночно-мастичного асфальтобетона на поверхности каменного материала также будет присутствовать распушенная целлюлоза
Все процессы, происходящие в асфальтоанализаторе полностью автоматизированы и не требуют участия оператора, полностью закрытый цикл экстракции не позволяет парам растворителя попадать во внешнюю среду, после извлечения вяжущего, растворитель автоматически дистиллируется внутри установки и возвращается в систему, используясь многократно.
Асфальтоанализатор является улучшенной версией автоэкстрактора, в нём исключены его главные недостатки, такие как:
• Неэкологичность (для автоэкстрактора необходима отдельная комната и вытяжной шкаф ввиду попадания значительных объёмов испарений трихлорэтилена во внешнюю среду)
• Неточность (особенно в части количества минерального порошка, так как асфальтоанализатор полностью отделяет его от каменного материала за счет ультразвука)
После извлечения из асфальтоанализатора минеральной части, проводится определение зернового состава на стандартном наборе сит и сопоставляется с данными по утвержденному составу и ГОСТ 31015-2002 [3]; .
В России первые асфальтоанализаторы из Германии появились в дорожном департаменте Ханты-Мансийского автономного округа в 2007 году.
1.3. Причины возникновения температурной сегрегации
В процессе изучения фракционной сегрегации, специалисты часто сталкивались с ситуацией, когда при отборе проб в местах явной сегрегации и дальнейших их испытаниях, результаты показывали не сильное отличие отобранных проб по гранулометрическому составу от состава проектной смеси. Как следствие, специалистами вёлся поиск новых, более совершенных способов определения сегрегации. В результате применения комплекса методов исследования, в т.ч. неразрушающих, была выявлена следующая закономерность: в местах сегрегации, где гранулометрический состав смеси был схож с составом однородных участков, плотность и содержание воздушных пустот превышали рекомендуемые исследованием значения.
Относительно истории выявления температурной сегрегации, как одной из причин преждевременного разрушения асфальтобетонных покрытий, а так же причин её вызывающих, говорится в Техническом документе Т-134 «Температурная сегрегация как причина разрушения асфальтового покрытия», авторами которого являются Дж. Дон Брак, Г.Джейкоб (J. Don Brock, Herb Jakob). Кратко рассмотрим этот документ:
«С недавнего времени работники Astec lпdustгies начали использовать высокоточную инфракрасную камеру, чтобы оценить возможность ее применения с целью обнаружения сегрегации компонентов. При использовании камеры для наблюдения за смесью, выгружаемой из кузова самосвала, стало очевидным, что разница температур в кузове значительно больше, чем предполагалось ранее. Разница температур до 27 градусов по Цельсию имела место в смесях, которые при температуре в 143 градуса перевозились всего на 16-24 км. Температура некоторых участков снизилась до 99 градусов Цельсия. Стив Рид, студент последнего курса Университета Вашингтона, первым обнаружил данный феномен летом 1996 года, когда проводил исследование проблемы сегрегации при укладке асфальтобетона в рамках своей дипломной работы. Дипломная работа под названием "Повреждения асфальтового покрытия вследствие разницы температур при укладке" была подготовлена под руководством его консультанта, доктора Джо Мэгони и по согласованию с Департаментом транспорта штата Вашингтон. Департамент транспорта поручил Риду изучить явление, которое было известно под названием повреждения при перевозке, точечной сегрегации, сегрегации в конце порции и, в последнее время, циклической сегрегации. Целью данного исследования было определение причины и потенциального решения проблемы циклической сегрегации асфальтовых покрытий штата Вашингтон. В своей работе Рид утверждает: "Когда данное явление влияет на работы по восстановлению покрытия, ожидаемый срок службы верхнего слоя может быть уменьшен примерно вполовину от срока в 12-15 лет, который обычно ожидает Департамент транспорта штата Вашингтон. Не было никакой возможности предугадать, какие проекты пострадают от циклической сегрегации, и проблема признавалась особенно сложной из-за того, что она могла не проявлять себя в ходе строительства, но обнаружиться в течение двух лет после его окончания". В главе 4 своей работы Рид пишет: "В то время как подход к данному исследованию был направлен на то, что считалось проблемой с сегрегированной смесью, по мере накопления данных стало очевидно, что наблюдаемое явление не было фракционной сегрегацией. Проблема, которая была названа "циклической сегрегацией", оказалась связанной с разницей температур внутри массы асфальтобетона в самосвалах, которая возникала при перевозке смеси от завода до места укладки. Данное явление было соответственно названо "повреждение вследствие разницы температур". Подобный термин кажется уместным, поскольку механизм, который вызывает эту проблему, связан с разницей температур в асфальтобетонной смеси перед укладкой. Другие проблемы (например, вынос части минерального заполнителя, низкое уплотнение, расслоение, и т. д.) являются просто симптомами повреждения, которое уже произошло в смеси в ходе строительства. Процесс возникновения повреждения вследствие разницы температур начинается, когда асфальтобетонная смесь выгружается в бункер укладчика из кузова самосвала. Если в асфальтобетонной смеси имеется разница температур, очень холодный материал по краям партии вытесняется к краям бункера укладчика. Когда самосвал разгружен, и смесь в бункере израсходована, этот холодный материал осыпается вниз, чтобы оказаться поверх материала на конвейерах. Когда прибывает следующий самосвал и разгружается в укладчик, эта холодная смесь передается обратно в шнековую камеру и разравнивается. Плита укладчика не может уплотнить более холодную смесь и на полотне появляются явные участки с сегрегацией (повреждения вследствие разницы температур). Поскольку данный процесс может повторяться для каждой укладываемой порции асфальта, циклическая природа данного явления становится очевидной". Хотя Рид не пользовался инфракрасной камерой, но он точно определил проблему и её причину. Видеосъёмка и снимки отдельных участков автодорог инфракрасной камерой, а также компьютерная программа, с помощью которой можно строить профиль выявили, что имели место значительные разницы температур».
В рассматриваемом документе описан процесс исследования температурной сегрегации с помощью инфракрасных камер на различных объектах строительства в США. Центр NCAT исследовал сегрегацию на 19 объектах, расположенных в штате Джорджия и имеющих дефекты в виде пористой структуры, низкой плотности, участки подверженные расслоению, растрескиванию и повреждениям от влаги. Далее приведём некоторые полученные выводы:
«Как видно из результатов, на плотность и содержание воздушных пустот в значительной мере влияет пониженная температура в остывших асфальтобетонных смесях».
