ОПТИМИЗАЦИЯ ЗЕРНОВОГО СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

АННОТАЦИЯ

Аспект, затронутый в рамках данной научной статьи, имеет важное значение в области дорожного строительства, нацеленной не только на достижение высокой прочности и устойчивости асфальтобетона, но и на обеспечение оптимальных характеристик его структуры. Основные принципы оптимизации зернового состава базируются на параметрах размеров и формы частиц каменного заполнителя, входящего в состав асфальтобетонных смесей. Глубокий анализ зернового состава способствует достижению оптимального баланса между крупными и мелкими фракциями, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивость и долговечность асфальтобетонного покрытия. Максимальная плотность асфальтобетонной смеси играет ключевую роль, влияя на ее физико-механические свойства и способность противостоять агрессивному воздействию окружающей среды и транспортным нагрузкам. Кроме того, плотность смеси существенно влияет на ее стойкость к статическим и динамическим нагрузкам и деформациям, что важно для обеспечения безопасности дорожного движения. Статья представляет собой аналитический обзор основных принципов и методологии определения зернового состава мелкозернистых асфальтобетонных смесей с крупностью зерен до 10 мм с целью достижения их максимальной плотности. В ходе анализа отечественных и мировых подходов к оптимизации состава асфальтобетонных смесей была обнаружена ключевая закономерность для мелкозернистого асфальтобетона, касающаяся его зернового состава. Эта закономерность, установленная на основе идеальных математических моделей, имеет значительное сходство с кривой Фуллера. Понимание и практическое применение принципов создания максимально плотного зернового состава асфальтобетонных смесей не только повышает качество дорожного строительства, но и способствует более эффективному использованию ресурсов, обеспечивая долговечность и устойчивость дорожного покрытия. Это, в свою очередь, ведет к снижению затрат на обслуживание и ремонт дорог, что является критически важным для экономической эффективности инфраструктурных проектов. Таким образом, совершенствование методов исследования и контроля зернового состава асфальтобетона имеет фундаментальное значение для устойчивого развития дорожной отрасли.

Ключевые слова: асфальтобетон, характеристика структуры, фракционный состав, дорожное строительство, долговечность, оптимизация смеси, плотность, зерновой состав.

Введение

Асфальтобетон представляет собой высокотехнологичный строительный материал, который является одним из наиболее распространенных и широко используемых в устройстве покрытия дорог и улиц населенных пунктов. Этот материал обладает уникальными свойствами, делающими его предпочтительным выбором для создания прочных, долговечных и высококачественных дорожных одежд. Важным аспектом его популярности является не только его прочность, но и возможность адаптации к различным климатическим условиям и транспортным нагрузкам как главного и неотъемлемого компонента дорожного строительства. В современных подходах к созданию качественных дорожных покрытий подбор состава асфальтобетонных смесей является основополагающей частью процесса производства долговечной и устойчивой дорожной инфраструктуры. Актуальность процесса подбора составов асфальтобетонных смесей значительно возрастает в условиях повышенных требований к качеству. Разработан обширный спектр специализированных методов и методик, каждый из которых адаптирован к конкретным эксплуатационным условиям, включая климатические и транспортные факторы, что обусловливает их дифференцированную эффективность. Специалисты в области дорожного строительства непрерывно исследуют и разрабатывают инновационные, более адаптивные методы подбора составов с целью оптимизации производственных показателей. Данные подходы, варьирующиеся от детального химического анализа компонентов до оптимизации фракционного состава, направлены на обеспечение требуемых свойств асфальтобетона в различных условиях эксплуатации. При этом приоритет отдается методам, характеризующимся простотой и прозрачностью принципов. Такие методы приобретают особую значимость в контексте их использования на производственных площадках, где требуются оперативность и эффективность в процессе производства асфальтобетонных смесей и максимальная скорость при корректировке состава.

Способы и подбор состава плотных смесей

Подбор состава асфальтобетона – это комплексный инженерный процесс, направленный на определение наилучшего соотношения и качества основных компонентов асфальтобетонной смеси, таких как битум, минеральный порошок, песок, щебень и/или гравий. Исключительная важность подбора состава обусловлена не только требованиями к прочности и долговечности асфальтобетона, но и его адаптацией к конкретным условиям эксплуатации, что обеспечивает оптимальное функционирование его на разных типах дорог и в разнообразных климатических условиях. Проектирование состава асфальтобетонных смесей в странах постсоветского пространства, не исключая и Республику Беларусь [1], осуществляется по методике, основанной на подборе кривой гранулометрического состава, входящей в предельные кривые плотных смесей. Основной принцип этого метода, разработанного в СоюзДорНИИ [2], заключается в учете зависимости прочности и других свойств асфальтобетона от плотности минеральной смеси при оптимальном количестве битума. Оптимальное количество битума обычно определяется на основе результатов экспериментов, учитывающих наивысшую прочность образцов и другие показатели их качества, соответствующие требованиям стандарта. Основные принципы метода опираются на теоретические и экспериментальные исследования профессора В. В. Охотина [3] и профессора Н. Н. Иванова [4]. Считается, что составы с достаточной плотностью включают в себя минеральные смеси, где диаметр частиц (d) уменьшается в два раза, а масса соответствующих фракций уменьшается в пределах 0,65–0,9 раза. Величина, определяющая, во сколько раз количество последующей фракции меньше количества предыдущей, называется коэффициентом сбега (k). Таким образом, отношение диаметров частиц (d) можно представить в следующем виде:

где d₁ – размер наибольшего отверстия сита, мм;

d_n – то же наименьшего отверстия сита, мм;

d₂, d₃, … – то же промежуточных отверстий сит, мм.

Отношение по массе последующих фракций к предыдущей (коэффициент сбега k) можно определить по следующей зависимости:

где x₁ – содержание наибольшей фракции зерен в смеси, %;

x_n – то же наименьшей фракции зерен в смеси, %;

x₂, x₃, … – то же промежуточных фракции зерен в смеси, %.

Исследования Н. Н. Иванова [4, 5] показали, что максимальная плотность асфальтобетонной смеси достигается при коэффициенте сбега от 0,80 до 0,81, однако, учитывая трудности, связанные с точным подбором такого состава, предлагалось расширить диапазон значений коэффициента сбега от 0,65 до 0,90. Этот диапазон обеспечил баланс между желаемой высокой плотностью смеси и реальными проблемными моментами, с которыми можно столкнуться при подборе состава. Принятый коэффициент сбега в указанном интервале предоставил инженерам и специалистам оптимальные возможности для адаптации состава асфальтобетона к конкретным условиям производства и требованиям, предъявляемым к дорожному асфальтобетонному покрытию. Расчетные количества каждой фракции отображаются на графике, где по оси ординат указывают полный проход через сито в процентах, а по оси абсцисс – логарифмы размеров зерен или отверстий сит. На рис. 1 представлен пример кривых гранулометрического состава минеральной части асфальтобетона при различных коэффициентах сбега.

Рисунок 1. Гранулометрический состав минеральной части асфальтобетонных смесей с различными коэффициентами сбега

Кривые с коэффициентом сбега менее 0,7 соответствуют смесям с низким содержанием минерального порошка или без него, в то время как кривые с коэффициентом сбега более 0,9 отражают смеси с высоким содержанием минерального порошка. Выбор коэффициента сбега зависит от предпочтительного соотношения минерального порошка и щебня в смеси, а также от требуемой плотности минеральной части смеси, стремясь получить реальную кривую смеси, которая находится между предельными кривыми плотных смесей.

Оптимизация состава по критерию плотности

До недавнего времени оптимизацию состава смесей для создания верхних слоев дорожных покрытий ассоциировали с увеличением плотности асфальтобетона. В результате этого в области дорожного строительства можно выделить три метода, используемых при оптимизации плотности и формировании зерновых составов минимальной пустотности, исходя из зернового состава крупного заполнителя [6]:

– экспериментальный (немецкий) метод подбора плотных смесей, заключающийся в постепенном заполнении одного материала другим;

– метод кривых, основанный на подборе зернового состава, приближающегося к заранее определенным математически «идеальным» кривым плотных смесей;

– американский метод стандартных смесей, основанный на апробированных составах смесей из конкретных материалов. Суть экспериментального метода подбора плотных смесей заключается в поэтапном заполнении пустот одного материала с крупными зернами более мелким минеральным материалом. На практике подбор смеси проводится следующим образом: к 100 весовым частям первого материала последовательно добавляют 10, 20, 30 и так далее весовых частей второго материала, после чего перемешивают и уплотняют смесь, измеряя её среднюю плотность. Выбирают состав с минимальным количеством пустот в уплотненном состоянии. Если необходимо получить смесь из трёх компонентов, то к уже подобранной плотной смеси из двух материалов постепенно добавляют третий материал в возрастающих количествах и также определяют наиболее плотный вариант смеси. Принцип последовательного заполнения пустот применен в методике проектирования оптимальных составов дорожных асфальтобетонов, в которых используются щебень, гравий и песок с любой гранулометрией [7]. По данным авторов статьи, на основе дедуктивного анализа испытаний агрегатных смесей с различным содержанием компонентов различной крупности установлена сложная математическая зависимость для определения «пустоты в минеральном агрегате» (Void in Mineral Aggregate, VMA). Данный параметр описывает объем пор (пустот) внутри минерального заполнителя, указывая на потенциальное количество связующего, которое может быть им заполнено. Он, наряду с содержанием воздуха, является ключевым критерием при проектировании различных видов асфальтобетонных смесей. В своей работе авторы стремились учесть все факторы, способствующие формированию плотной асфальтобетонной смеси, принимая во внимание остаточную пористость и объем вовлеченного воздуха. Для повышения точности были введены дополнительные коэффициенты, учитывающие размер, форму и поверхностную пористость минеральных частиц. Результаты лабораторных испытаний контрольных образцов продемонстрировали высокую степень соответствия с теоретическими предсказаниями.

Второй метод оптимизации подбора зернового состава асфальтобетона основывается на подборе плотных минеральных смесей, зерновой состав которых приближается к идеальным кривым Фуллера, Графа, Германа, Боломея, Тэлбот–Ричарда, Китт–Пеффа и других авторов [8]. Эти кривые в большинстве случаев представляются степенными зависимостями требуемого содержания зерен в смеси от их крупности. Например, кривая гранулометрического состава плотной смеси, по Фуллеру, задается следующим уравнением:

где P – процент агрегата, проходящего через сито, %;

d – диаметр отверстий сита, мм;

D – максимальный диаметр частиц в агрегате, мм.

Это уравнение используется для определения оптимального гранулометрического состава асфальтобетонной смеси, чтобы обеспечить наиболее плотную упаковку частиц минерального заполнителя.

Этот подход позволяет настраивать структуру смеси с учетом особенностей размеров и распределения минеральных фракций, что, в свою очередь, способствует достижению оптимальных плотностей асфальтобетона.

Список литературы:

1. Леонович, И. И. Испытание дорожно-строительных материалов: учеб. пособие для вузов / И. И. Леонович, В. А. Стрижевский, К. Ф. Шумчик. Минск: Вышэйш. шк., 1991. 224 с.
2. Пособие по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов (к СНиП 3.06.03–85 и СНиП 3.06.06–88). М.: Союздорнии, 1991. 176 с.
3. Охотин, В. В. Лабораторные опыты по составлению дорожных грунтовых смесей по принципу наименьшей пористости / В. В. Охотин. М.: Транспечать, 1929. 32 с.
4. Иванов, Н. Н. Строительство автомобильных дорог. Ч. 2: Постройка дорожных одежд: учеб. пособие / Н. Н. Иванов. М.: Автотрансиздат, 1957. 304 с.
5. Иванов, Н. Н. Подбор наиболее плотной смеси каменных агрегатов или грунтов для дорожных одежд / Н. Н. Иванов // Дорога и автомобиль, 1930. № 4–5. С. 23–28.
6. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытаний: обзорная информация / Федеральное государственное унитарное предприятие «Информационный центр по автомобильным дорогам». М.: Информавтодор, 2005. Вып. 6: Автомобильные дороги и мосты. 48 с.
7. Inoue, T. Rational Design Method of hot Mix Asphalt Based on Calculated VMA / T. Inoue, Y. Gunji, H. Akagi // Eurasphalt & Eurobitume Congress. Vienna, 2004. P. 1956–1966.