Испытания асфальтобетонов: технология и оборудование

Технические требования, которые определяют качество асфальтобетонных смесей отечественного производства, описаны в ГОСТ 12801-84. Производители совершенствуют методы испытаний, добиваясь стабильно высокого качества, а, следовательно, и длительной эксплуатации покрытий автотрасс. Часто используются и результаты, достигнутые зарубежными специалистами.

Эксплуатационные свойства асфальтобетона

Смесь  разрабатывается, производится ​​и укладывается так, чтобы получить следующие желаемые свойства:

1. Неизменность состава.
2. Долговечность.
3. Пластичность.
4. Стойкость к знакопеременным нагрузкам
5. Износостойкость.
6. Влагонепроницаемость
7. Удобоукладываемость.

Испытание стабильности

Устойчивость асфальтобетонного покрытия – это его способность сопротивляться колебаниям и колееобразованию от воздействия транспортных средств. Стабильное дорожное покрытие сохраняет свою конфигурацию при многократных нагрузках, в то время, как на некачественном  дорожном покрытии быстро образуются колеи, рябь, гофры и другие признаки смещения объёмов материала (см. рис. 1). При этом внешний вид такого асфальта может быть вполне удовлетворительным.

Поскольку показатели стабильности определяются плотностью движения по дороге, окончательный уровень показателей устанавливается анализом трафика. Например, слишком высокое значение устойчивости – причина того, что асфальтобетон делается менее пластичным и поэтому быстрее разрушается.

Стабильность уложенного асфальта связана с условиями трения и сцепления между частицами материала. Внутреннее трение зависит от характеристик заполнителя — вида и макроструктуры поверхности, в то время как когезия — результат связывающей способности отдельных компонентов.

При эксплуатации возникает относительное перемещение частиц заполнителя. Оно происходит под действием сил, возникающих во время движения. Чем более неправильной является форма частиц заполнителя и более шероховатой — текстура их поверхности, тем выше стабильность смеси. Там, где использовать заполнители с высокими характеристиками внутреннего трения невозможно, применяют более экономичные смеси на основе заполнителей, обладающих более низкими коэффициентами трения. Естественно, что применять такой асфальтобетон можно при укладке покрытия с малой интенсивностью движения.

Когезионные силы увеличиваются по мере роста скорости движения транспорта, увеличения эластичности битума и снижения температуры на поверхности материала. До определённого момента когезия возрастает с увеличением содержания связующего. Но далее на поверхности начинает формироваться толстая плёнка, увеличивающая энергозатраты.

Тестирование стабильности оценивают по результатам теста на отрыв при температуре 40⁰С.  При испытании на сдвигаемость покрытия используют разрывную машину, а критерием стабильности принимают минимальное значение напряжения сдвига. Оно пропорционально влажности поверхностного слоя.

Испытание долговечности

Испытание асфальта в лаборатории должно включать в себя тест на долговечность покрытия — его способность противостоять горючесть, полимеризации и окислению связующих компонентов, разрушению плёнки связующего с частицами заполнителя. Эти составляющие зависят от погодных условий, суточного трафика или от взаимодействия данных факторов (см. рис. 2).

Долговечность смеси можно повысить:

• Увеличением содержания связующего:
• Применением заполнителя с максимальной плотностью;
• Повышением влагонепроницаемости смеси.

Рост долговечности первым способом происходит из-за того, что толстые связующие плёнки не стареют и не затвердевают так быстро, как тонкие. Следовательно, связующее дольше сохраняет свои первоначальные характеристики. С повышение количества содержание вяжущего происходит разъединение воздушных пустот. Этот процесс замедляет диффузию влаги, присутствующую в воздухе.  Влагонепроницаемость не должна быть стопроцентной, иначе асфальтобетон не сможет обеспечить расширение вяжущего в жаркую погоду.

Плотная градация прочного, устойчивого к истиранию заполнителя способствует долговечности дорожного покрытия (например, образованного горячей смесью А16НН ГОСТ Р 58406.2-2020). Во-первых, обеспечивается более тесный контакт между частицами заполнителя. Во-вторых, более прочный заполнитель лучше противостоит разрушению при транспортной нагрузке. В-третьих, растёт влагостойкость материала, приводящая к ликвидации связующей пленки и её удаления с заполнителя.

Испытание плотности

Экспертизу проводят с целью определения степени пористости асфальтобетона. Показатель определяется соответственно положениям инструкции ВСН 14-95, когда устанавливается минимальное значение коэффициента уплотнения. В зависимости от известной интенсивности движения он изменяется от 0,98 для автотрасс, до 0,91 – для тротуаров и пешеходных дорожек. Используются образцы, отверждение которых состоялось не менее суток тому назад. Критерий – разрушение образца под воздействием вертикальных статически приложенных нагрузок.

Испытание влагонепроницаемость и водонасыщенности

Водонепроницаемость (герметичность) – это сопротивление материала дорожного покрытия поступлению  воздуха и воды из внешней среды (см. рис. 3). Параметр определяется наличием и количеством пустот в смеси после уплотнения.

Влагопроницаемость смеси увеличивают вводом добавок против отслаивания или наполнителя (известь), не содержащего двуокись кремния.

Характер пустот для работоспособности асфальтобетона более важен, чем их количество. Степень непроницаемости укладываемой смеси зависит от объёма пустот и их расположения по толщине покрытия.

Все асфальтобетонные смеси в той или иной степени негерметичны. Это допустимо, если соответствующий показатель находится в пределах, установленных ГОСТ 12801-84.  Сюда же включают и нормы морозостойкости асфальтобетона.

Испытание на водопроницаемость и водонасыщаемость проводят параллельно с тестированием пористости. Критерием выбирают изменение массы образца в сравнении с максимально допустимым значением, имеющемся в ГОСТ 12801-84.

Испытание удобоукладываемости

Эта характеристика определяет технологичность укладки и уплотнения покрытия (см. рис. 4). Удобоукладываемость можно улучшить, изменив параметры состава смеси, видзаполнителя и/или размерную градацию его частиц.

Жёсткие смеси (содержащие высокий процент крупного заполнителя) в процессе подготовки расслаиваются, поэтому трудно поддаются уплотнению. В любом случае нельзя допускать нежелательного изменения свойств асфальтобетона, отрицательно влияющих на его сплошность. Например, слишком высокое содержание наполнителя отрицательно влияет на удобоукладываемость: смесь становится липкой, из-за чего требуется частая очистка катков.  Это свойство особенно важно там, где технология укладки и так затруднена – у крышек люков, при крутых поворотах дороги и пр.

На удобоукладываемость влияют:

• Температура смеси, изменяющая вязкость связующего;
• Качество вяжущего;
• Процентное содержание вяжущего в смеси.

Критерием удобоукладываемости считается наибольшее усилие, которое затрачивается на доведение смеси до однородного состояния. Нормативные данные приведены в ГОСТ Р 54400-2020.

Оценка пластичности

Способность материала без трещин подстраиваться к изменениям во влажности и подвижности основания определяет пластические показатели асфальта или гибкость. Поскольку все основания под нагрузкой уменьшают толщину, проседают или выпучиваются, то степень эластичности для асфальта считается полезным эксплуатационным качеством. Смесь с открытым гранулометрическим составом и с повышенным процентом связующих компонентов более пластична.

В качества критерия пластичности принимают наибольшее значение стрелы прогиба уплотнённого покрытия под нормативной нагрузкой. Вместе с тем показатель гибкости противоречит требованиям стабильности, поэтому приходится идти на компромиссы.

Испытание на стойкость к знакопеременным нагрузкам

Сопротивление усталости – это оценка способности асфальтобетона сопротивляться внешним силовым воздействиям. Все пустоты, в которых отсутствует вяжущий компонент (независимо от его вязкости) снижают сопротивление усталости (см. рис. 6).

По мере увеличения процентной доли воздушных пустот в дорожном покрытии его усталостная долговечность резко сокращается. То же произойдёт и с уложенным асфальтобетоном, которое содержит затвердевшее вяжущее.

Большое значение для тестирование данного показателя имеют толщина и прочность дорожного покрытия, а также несущая способность грунтового основания. Асфальтобетон увеличенной толщины мало прогибается под нагрузкой, поэтому обладает более длительным усталостным ресурсом. Тестирование выполняют на испытательной машине с изменяющимся (программно или вручную) поперечным усилием.

Испытание износостойкости

Одно из важнейших свойств качественного асфальтобетонного дорожного покрытия —  способность минимизировать проскальзывание автомобильных шин, особенно во влажном состоянии. При этом материал подвергается интенсивному  абразивному износу, поскольку  протектор шины поддерживает контакт с частицами асфальтобетона, а не скользит по водной поверхностной плёнке.

При испытаниях расчётное сопротивление скольжению обычно измеряется не в лаборатории, а в полевых условиях при скорости 65 км/ч со стандартным протектором шины, при этом поверхность постоянно смачивается водой.

Наилучшее сопротивление скольжению соответствует заполнителю с грубой текстурой в относительно мелкозернистой смеси с максимальным размером заполнителя от 10 до 15 мм. Помимо шероховатой поверхности, заполнители должны быть устойчивы к сглаживанию во время постоянного движения транспорта. Известковые заполнители полируются легче, чем кремнистые заполнители. Нестабильные смеси, которые склонны к образованию колеи (см. рис. 7) или вообще смыванию асфальта с поверхности, к укладке не допускаются именно из-за проблем с износостойкостью.

Технология проведения испытаний

ГОСТ 12801-84 предусматривает два варианта тестирование смесей и инспекцию качества уложенного материала, для чего на исследуемом участке дороги берутся образцы – керны. Количество образцов должно не менее, чем в три раза превышать число испытаний, с учётом случайных механических повреждений и шибок. Годные образцы испытываются трижды, в протокол испытаний асфальта заносится худший из полученных результатов.

Испытание смесей

Включает в себя следующие этапы:

1. Дозирование и тщательное перемешивание всех компонентов с использованием лопастных лабораторных мешалок.
2. Формовку образцов по размерам, предусмотренных техническими требованиями.
3. Отверждение образцов.
4. Испытание асфальта на влагопоглощаемость тремя методиками – прессованием, вибронасыщением и комбинацией способов.
5. Испытания на прочность.
6. Математическая обработка результатов.
7. Построение итоговых графиков или пространственных компьютерных 3D-моделей. Примеры представлены на рис. 8 и рис. 9.

По результатам испытаний составляются акты возможности/невозможности применения составов для формирования дорожного покрытия. Формы бланков этих актов стандарты не ограничивают.

Ограничение – невозможность оценки показателей долговременности покрытия и его удобоукладываемости в конкретных условиях.

Испытание готовых образцов

Вырубка кернов уложенного асфальтобетонного покрытия (см. рис. 10) выполняется не менее чем трижды, и в местах, где оно более всего разрушено. Керны получают бурением покрытия на заданную глубину.

На кернах можно проводить испытания плотности, влагонасыщения, механических показателей, однородности слоёв и силы их сцепления между собой, для чего используют стандартное лабораторное оборудование –  испытательные прессы, маятниковые копры, вискозиметры, приборы Вика, микротвердомеры и пр.

Методика тестирования кернов на износостойкость выбирается в зависимости от условий эксплуатации:

• При явном преобладании какого-то механизма износа применяют установки типа СМЦ-2;
• Когда характер износа не определён, более подходящий вид испытательного оборудования — машины типа МИ или УМТ-1.

Образцы, подлежащие испытанию на износ, изготавливаются из материала кернов, поэтому при бурении должен иметься запас образцов (из расчёта не менее четырёх на каждый вид тестирования).

Сопроводительная документация

Кроме акта испытаний, обязательным документом, подтверждающим качество асфальтобетонной смеси является протокол испытаний. Его форма стандартами не определена и устанавливается по результатам договорённости между производителем и потребителем. Примерное содержание протокола испытаний приведено на рис. 11.

Обзор современных технологий испытаний

Разница между тестированием по производительности и традиционным тестированием заключается в способности точно прогнозировать производительность укладки асфальтобетонного покрытия в полевых условиях. При традиционных испытаниях такие условия испытаний, как нагрузка, скорость и температура, не обязательно точно отражают реальные дорожные условия.

Образец протокола испытаний асфальтобетона

При тестировании производительности условия тестирования стараются подбирать так, чтобы они имитировали реальные условия. Для этого всё шире используются машины  для динамических испытаний асфальтобетонных смесей. Они позволяют изменять  температуру образцов (в диапазоне от -50 °C до +80 °C), моделировать жёсткость, усталостную прочность и распределение внешних нагрузок по поверхности. Более всего для этого подходят установки нового поколения – тестеры оценки производительности асфальтобетонной смеси АМРТ (см. рис. 12) и модульные тестеры AsphaltQube (см. рис. 13).

Оборудование одновременно проводит несколько различных испытаний асфальтобетона с визуализацией текущих результатов на встроенном мониторе (для АМРТ) или по измерительной шкале (для AsphaltQube). В обеих установках предусмотрен один и тот же контроллер и программное обеспечение.

Контроллер IMACS2 — с сенсорным дисплеем, что делает его более удобным для пользователя. Применён принцип «включай и работай», что устраняет ручную настройку техники. Это означает, что  контроллер автоматически распознаёт канал выполняемых измерений.

Оборудование работает с программным обеспечением UTS Neutron, которое распознаёт несколько языков управления. Доступны следующие стандарты испытаний:

• Обычный (встроен по умолчанию);
• Редактор  (рассчитан на ручную настройку режимов испытаний);
• Тестовый программист (подбирает режим испытаний, в зависимости от параметров).

Программное обеспечение имеет настраиваемые права доступа для любого типа пользователей, например, оператора контроля качества, руководителя лаборатории и старшего инженера.

Программное обеспечение включает библиотеку запрограммированных тестовых модулей по основным международным стандартам.

Надёжная отчётность и быстрое создание пользовательских тестов обеспечивается графическим пошаговым редактором тестов, который имеет функцию редактирования с  сохранением пользовательских тестовых последовательностей и процедур.

Совершенствование методик тестирования ускоряет испытание асфальтобетонов, повышает точность и информативность результатов.