Суперпейв (Superpave): методология для создания идеальных дорог

Обеспечить высокое качество автомобильных дорог, максимально эффективно использовать усилия и средства, выделенные на их строительство, — помогает заимствованная в США методология Суперпейв (Superpave), предназначенная для создания асфальтобетонных покрытий с наилучшими эксплуатационными характеристиками.

Методология направлена на решение таких проблем, как классические деформации, а также устойчивость к усталостным и низкотемпературным трещинообразованиям. Сегодня американскую систему Суперпейв исследуют и применяют и украинские дорожно-строительные компании.

Каждая автомобильная дорога имеет свои особенности — и по условиям эксплуатации, и по конструкции дорожной одежды. Одними дорогами движется преимущественно легковой транспорт, другими — крупногабаритный. На одних интенсивность движения в течение года меняется редко, на других зависит от сезонных работ, — скажем сбора и перевозки урожая агро предприятиями.

Методология постоянно развивается

Общей целью проектирования состава асфальтобетона является выбор экономичного сочетания материалов — так, чтобы при достаточной толщине и хорошем качестве строительства получилось покрытие, которое служит в течение ожидаемого срока в данных природных условиях при движении определенной интенсивности.

Подавляющее большинство методов проектирования асфальтобетонных смесей разработано в США. Еще с 80-х годов 19-го века там начали применять технологию, предложенную пионером в области разработки новых асфальтобетонных технологий, подрядчиком Амзи Барбером (The «King of Asphalt» — Washington’s Amzi Barber). Компания Барбера разработала и очень широко внедрила технологию песчаного асфальтобетона.

Другой подрядчик, Фред Уоррен (Fred J. Warren), получивший за один год (май 1901 — апрель 1902 г.г.) 6 патентов на щебеночный асфальтобетон, разработал зерновые составы и рабочие рецептуры смесей с максимальным размером щебня до 75 мм.

Щебеночные асфальтобетоны с рационально подобранными зерновыми составами для зерен различной максимальной крупности имели пористость минерального состава примерно вдвое меньше песчаных, что позволило компании Уоррен Бразерс (Warren Brothers) почти вдвое сократить расход битума и при этом повысить устойчивость к образованию колеи по сравнению с песчаными смесями компании Барбер-Грин (Barber-Greene).

Кроме того, применение смесей с крупными зернами уменьшило вероятность образования колеи, что сделало возможным применение менее вязких битумов, а это, пожалуй, положительно сказалось на устойчивости покрытия к образованию температурных трещин при охлаждении.

С 1920-х до начала 1950-х г.г. широко применялся метод Хаббарда-Филда (в честь разработчиков Charles Hubbard и Frederick Field), который был сфокусирован на смесях плотного зернового состава. Метод Хаббарда-Филда изначально был разработан для песчаных смесей (с зернами мельче 4,75 мм), а затем адаптирован для более крупных смесей.

В конце 1950-х практически все штаты перешли на методы Хвима (Francis N. Hveem) и Маршалла (Bruce Marshall), которые ограничивали максимальный размер зерен до 25,4 мм. Интересно, что традиционные методы проектирования смесей в основном были направлены на свойства композита, а не его компонентов, их технические требования относились, главным образом, к составу смеси и ее свойствам, а не к свойствам исходных материалов. Ограничивали максимальную пористость асфальтобетона и минимальную пористость его минерального каркаса, задавая тем самым минимальное содержание битума.

В 1985 году 38 штатов при проектировании состава асфальтобетона применяли метод Маршалла и 10 штатов метод Хвима. К этому времени оба метода фактически устарели — им исполнилось по 40-50 лет. В дорожных лабораториях разных штатов на основе накопленного опыта эти методы по-разному интерпретировали и приспосабливали к местным условиям.

В начале 1980-х годов ведущие специалисты США сформулировали мысль о необходимости замены методов Хвима и Маршалла. В 1987-1990 гг. Национальная программа совместных исследований в области автомобильных дорог (NCHRP) выделила средства на проект «Разработка системы анализа битумно-инертных смесей» NCHRP 9-6 (1). Эта система AAMAS (Asphalt-Aggregate Mixture Analysis System) была фундаментом для разработки метода Суперпейв.

Методика Суперпейв: к делу подключились коллективы ученых  

В 1987 году Конгресс США создал 5-летнюю исследовательскую программу выделив 150 миллионов долларов, направленную на улучшение эксплуатационных характеристик, долговечность, безопасность и эффективность Национальной сети автомобильных дорог. Она была названа Программой стратегических исследований в области автомобильных дорог (SHRP) и 2 апреля 1987 официально утверждена Законом о Наземном транспорте и Политике содействия переселению.

Программа состояла из исследований, сосредоточенных в четырех ключевых сферах:

• Битумы. Эта часть состояла из исследований, направленных на разработку совершенно нового подхода к подбору горячих асфальтобетонных смесей (HMA).
• Бетон и железобетонные конструкции. Эта часть состояла из исследований в подборе состава бетонной смеси, ее оценки, защиты и ремонта бетонных дорожных покрытий и конструкций.
• Эксплуатация автомобильных дорог. Эта часть состояла из сохранения дорожного покрытия, безопасности и исследований по борьбе со снежными заносами и гололедом.
• Эксплуатационные свойства дорожного покрытия. Эта часть состояла из Программы долгосрочных эксплуатационных характеристик дорожного покрытия (LTPP), 20-летнего исследования более 2000 испытуемых участков, эксплуатируемых в США и Канаде, с целью улучшения руководства принципов строительства и обслуживания дорожных покрытий.

Исследовательская деятельность по SHRP была завершена в 1992 году, а в 1993 году программа SHRP была закрыта. Благодаря этой программе, было разработано более 100 новых лабораторных установок, испытаний, спецификаций и, возможно, что еще более важно, появились такие организаций как FHWA, AASHTO и TRB, которые постоянно внедряют новые разработки.

После того, как первые усилия по SHRP достигли стадии реализации, Конгресс США поручил Совету по транспортным исследованиям (TRB) начать новый процесс по установлению приоритетов и разработки другой целенаправленной научно-исследовательской работы. Это новое исследование было начато в 1999 году, а завершилось в 2001 году.

Superpave

Программа SHRP в части исследования битумов, была самой обширной из четырех сфер SHRP. Эта программа стоила 53 миллиона долларов, и исследовала три основных показателя:

• Выяснить, почему некоторые дорожные покрытия служат долго, а другие нет.
• Разработать методы испытаний и спецификации для материалов, которые превзойдут по эксплуатационным характеристикам и сроку службы дорожные покрытия, которые строились на тот момент.
• Работать с дорожными органами и промышленностью, чтобы использовать новые спецификации.

Superpave в окончательном виде состоит из трех основных элементов:

• Спецификация битумного вяжущего. Это битумные вяжущие с модифицированными добавками PG.
• Система подбора и анализа, основанная на объемных свойствах асфальтобетонной смеси. Это метод подбора смеси Суперпейв.
• Методы испытания смеси и методы прогнозирования эксплуатационных характеристик.

Каждый из этих элементов нуждался в новых спецификациях и требованиях по эксплуатационным характеристикам, а также новых методах испытаний и лабораторных установок. И уже по состоянию на конец 2001 года большинство штатов (48) приняли спецификацию битумного вяжущего Суперпейв PG, а 39 штатов утвердили использование метода подбора смеси Суперпейв.

Как работает методика

Сегодня методика Суперпейв — одна из самых передовых в мире. В ее основе лежит метод Маршалла, но используется совершенно другой принцип уплотнения смеси. Это дает возможность в лаборатории моделировать эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Система также включает набор современных методов испытаний, которые позволяют осуществлять оценку свойств вяжущих и асфальтобетона с учетом заданных условий эксплуатации.

Методика Суперпейв позволяет подобрать смесь с заданными техническими характеристиками под конкретные условия эксплуатации в зависимости от климата и транспортных нагрузок. Особое место здесь занимает методология выбора вяжущего — основного материала, который влияет на долговечность асфальтобетона. Суперпейв включает в себя методы испытаний асфальтобетона, основанные на оценке его реологических свойств. 

Лабораторные испытания вяжущего при помощи специального оборудования происходят в трех его состояниях:

• у исходном,
• после краткосрочного старения
• после длительного.

На основании результатов испытаний определяется марка битумного вяжущего. Она должна соответствовать температурным условиям в зоне эксплуатации дороги и подбираться на основании расчетов максимальной и минимальной температурной границы.

Также вяжущие подбираются в зависимости от интенсивности движения, одна марка применяется для дорог с низкой интенсивностью движения, другая для дорог с высоким трафиком. Испытания проводятся из расчета всего срока службы покрытия, с учетом того, что вяжущее стареет и ежегодно меняет свои свойства. Классификация PG позволяет подобрать именно тот битум, который нужен для конкретного участка дороги.

После испытаний вяжущего, специалисты выбирают крупный щебень, который будет использоваться при изготовлении смеси. Крупных фракций в Суперпейв нужно значительно меньше, чем в текущих стандартах. Выбирая мелкие заполнители, сначала нужно определить в нем пустоты, надо обратить внимание на то, чтобы пустот между зернами было минимальное количество.

Пески из отсевов дробления не всегда соответствуют этому показателю, так как в них достаточно много пыли. Поэтому нужно более тщательно подходить к отбору материала, применяемым для асфальтобетона по методологии Суперпейв. После этого идет подготовка минеральной части. Затем определяется фракция крупного и мелкого заполнителя, а также плотность минерального порошка. Таким образом, определяется состав смесей Суперпейв.

Еще одна особенность методологии — она ​​позволяет подобрать состав смеси используя локальные материалы, а также материал из старых асфальтобетонных покрытий (РАП). Применяемый лабораторный метод уплотнения с помощью вращательного уплотнителя (гиратор) имитирует точную оценку транспортной нагрузки, которую выдерживает минеральный состав асфальтобетона за расчетный период эксплуатации. Количество оборотов на нем выбирается в зависимости от интенсивности движения на дороге.

Например, по методу Маршалла смесь уплотняется прессом. Один раз сжали — и все. А фактически укладка асфальтобетона происходит с чередованием циклов нагрузки: сначала смесь уплотняет легкий каток, за ним — средний, на финише — тяжелый. Именно такой режим уплотнения можно получить в лабораторных условиях применяя методологию Суперпейв.

Также в лабораторных условиях определяется максимальная плотность образцов, объёмная плотность, водостойкость и влагонасыщение. То есть можно принципиально оценить возможность создания покрытия из местных материалов, которое простоит не менее десяти лет. А уже потом заказчик принимает решение — использовать местный материал или везти прочный щебень издалека.

В Украине изучают и применяют 

Лидеры дорожного строительства в развитых странах давно уже оценили преимущества, которые дает проектирование асфальтобетона по системе Суперпейв. В Украине, к сожалению, о ней знают мало, не хватает необходимого лабораторного оборудования. Однако, есть дорожно-строительные компании, которые уже осваивают и применяют передовой метод, среди них — «Автомагистраль-Юг». Чтобы полностью освоить и использовать возможности, которые дает передовая технология, руководители и специалисты компании периодически проходят обучение в лучших мировых лабораториях и экспертов дорожно-строительной отрасли.

Практика подтверждает  

Американская система Суперпейв, позволяет дорожно-строительным компаниям избежать неприятных «сюрпризов», ведь в реальных условиях асфальт работает так же, как изготовлен в лаборатории. Методология позволяет заранее устранить причины остаточной деформации (образование колейности), и различного вида образования трещин.