Суперпейв (Superpave): методологія для створення ідеальних доріг

Забезпечити високу якість автомобільних доріг, максимально ефективно використати зусилля і кошти, виділені на їх будівництво, – допомагає запозичена у США методологія Суперпейв (Superpave), призначена для створення асфальтобетонних покрить з найкращими експлуатаційними характеристиками. 

Методологія спрямована на вирішення таких проблем, як класичні деформації і стійкість до різного виду утворення тріщин. Сьогодні американську систему Суперпейв досліджують та застосовують і українські дорожньо-будівельні компанії.

Кожна автомобільна дорога має свої особливості – і щодо умов експлуатації, і щодо конструкції дорожнього одягу. Одними дорогами рухається переважно легковий транспорт, іншими – великогабаритний. На одних інтенсивність руху протягом року змінюється рідко, на інших – залежить від сезонних робіт, скажімо збору та перевезення врожаю агропідприємствами. 

Методологія постійно розвивається

Загальною метою проектування складу асфальтобетону є вибір економічного поєднання матеріалів. Так, щоб при достатній товщині і хорошій якості будівництва вийшло покриття, яке служить протягом очікуваного терміну в даних природних умовах при русі певної інтенсивності. 

Переважна більшість методів проектування асфальтобетонних сумішей розроблена у США. Ще з 80-х років 19-го століття там почали застосовувати технологію, запропоновану піонером в області розробки нових асфальтобетонних технологій, підрядником Амзі Барбером (The “King of Asphalt” – Washington’s Amzi Barber). Компанія Барбера розробила і дуже широко впровадила технологію піщаного асфальтобетону. 

Інший підрядник, Фред Уоррен (Fred J. Warren), який отримав за один рік (травень 1901 – квітень 1902 р.р.) 6 патентів на щебеневий асфальтобетон, розробив зернові склади та робочі рецептури сумішей з максимальним розміром щебеню до 75 мм. 

Щебеневі асфальтобетони з раціонально підібраними зерновими складами для зерен різної максимальної крупності мали пористість мінерального складу приблизно вдвічі менше піщаних. Це дозволило компанії Уоррен Бразерс (Warren Brothers) майже вдвічі зменшити витрату бітуму і при цьому підвищити стійкість до утворення колії у порівнянні з піщаними сумішами компанії Барбер-Грін (Barber-Greene).

Крім того, застосування сумішей з крупними зернами зменшило ймовірність утворення колії, що зробило можливим застосування менш в’язких бітумів, а це, мабуть, позитивно позначилося на стійкості покриття до утворення температурних тріщин при охолодженні.

З 1920-х до початку 1950-х р.р. широко застосовувався метод Хаббарда-Філда (на честь розробників Charles Hubbard і Frederick Field), який був сфокусований на сумішах щільного зернового складу. Метод Хаббарда-Філда спочатку був розроблений для піщаних сумішей (з зернами дрібніше 4,75 мм), а згодом адаптований для більш крупних сумішей.

В кінці 1950-х практично всі штати перейшли на методи Хвіма (Francis N. Hveem) та Маршалла (Bruce Marshall), які обмежували максимальний розмір зерен до 25,4 мм. Цікаво, що традиційні методи проектування сумішей в основному були спрямовані на властивості композиту, а не його компонентів, їх технічні вимоги відносилися, головним чином, до складу суміші і її властивостям, а не до властивостей вхідних матеріалів. Обмежували максимальну пористість асфальтобетону і мінімальну пористість його мінерального каркасу, задаючи тим самим мінімальний вміст бітуму.

У 1985 році 38 штатів при проектуванні складу асфальтобетону застосовували метод Маршалла і 10 штатів метод Хвіма. До цього часу обидва методи фактично застаріли – їм виповнилося по 40-50 років. У дорожніх лабораторіях різних штатів на основі накопиченого досвіду ці методи по-різному інтерпретували і пристосовували до місцевих умов.

На початку 1980-х років провідні фахівці США сформулювали думку про необхідність заміни методів Хвіма і Маршалла. В 1987-1990 р.р. Національна програма спільних досліджень в області автомобільних доріг (NCHRP) виділила кошти на проект «Розробка системи аналізу бітумно-інертних сумішей» NCHRP 9-6(1). Ця система AAMAS (Asphalt-Aggregate Mixture Analysis System) стала фундаментом для розробки метода Суперпейв.

Методика Суперпейв: до справи стали колективи науковців

У 1987 році Конгрес США створив 5-річну дослідницьку програму виділивши 150 мільйонів доларів, спрямовану на покращення експлуатаційних характеристик, довговічності, безпеки та ефективності Національної мережі автомобільних доріг. Вона була названа Програмою стратегічних досліджень в області автомобільних доріг (SHRP) і 2 квітня 1987 року офіційно затверджена Законом про Наземний транспорт і Політику сприяння переселенню.

Програма складалася з досліджень, зосереджених у чотирьох ключових сферах:

• Бітуми. Ця частина складалася з досліджень, спрямованих на розробку абсолютно нового підходу до підбору гарячих асфальтобетонних сумішей (HMA).
• Бетон і залізобетонні конструкції. Ця частина складалася з досліджень у підборі складу бетонної суміші, її оцінки, захисту та ремонту бетонних дорожніх покриттів і конструкцій.
• Експлуатація автомобільних доріг. Ця частина складалася зі збереження дорожнього покриття, безпеки та досліджень з боротьби зі сніжними заносами та з ожеледицею.
• Експлуатаційні властивості дорожнього покриття. Ця частина складалася з Програми довгострокових експлуатаційних характеристик дорожнього покриття (LTPP), 20-річного дослідження понад 2000 випробуваних ділянок, експлуатованих в США і Канаді, з метою поліпшення керівництва принципів будівництва і обслуговування дорожніх покриттів.

Дослідницька діяльність по SHRP була завершена у 1992 році, а у 1993 році програма SHRP була закрита. Завдяки цій програмі, було розроблено понад 100 нових лабораторних пристроїв, випробувань, специфікацій і, можливо, що ще більш важливо, з’явилися такі організацій як FHWA, AASHTO і TRB, що постійно впроваджують нові розробки. 

Після того, як перші зусилля по SHRP досягли стадії реалізації, Конгрес США доручив Раді з транспортних досліджень (TRB) почати новий процес по встановленню пріоритетів та розробки іншої цілеспрямованої науково-дослідної роботи. Це нове дослідження було розпочато в 1999 році, а завершилося у 2001 році.

Superpave

Програма SHRP у частині дослідження бітумів, була найбільшою з чотирьох сфер SHRP. Ця програма коштувала 53 мільйона доларів. Її дослідження були направлені на вирішення трьої основних задач:

• З’ясувати, чому деякі дорожні покриття працюють добре, а інші, ні.
• Розробити методи випробувань і специфікації для матеріалів, які перевершать за експлуатаційними характеристиками і терміном служби дорожні покриття, що будувалися на той час.
• Працювати з дорожніми органами і промисловістю, щоб використовувати нові специфікації.

Superpave в остаточному вигляді складається з трьох основних елементів:

• Специфікація бітумного в’яжучого. Це бітумні в’яжучі з модифікованими добавками PG.
• Система підбору і аналізу, заснована на об’ємних властивостях асфальтобетонної суміші. Це метод підбору суміші Суперпейв.
• Методи випробування суміші і моделі прогнозування експлуатаційних характеристик. 

Кожен з цих елементів потребував нових специфікацій і вимог щодо експлуатаційних характеристик, а також нових методів випробувань і лабораторних пристроїв. І вже станом на кінець 2001 року більшість штатів (48) прийняли специфікацію бітумного в’яжучого Суперпейв PG, а 39 штатів затвердили використання методу підбору суміші Суперпейв.

Як працює методика

Сьогодні Суперпейв – одна з найбільш передових методик у світі. В її основі лежить метод Маршалла, але тут використовується зовсім інший принцип ущільнення суміші. Це дає можливість моделювати експлуатаційні характеристики дорожнього покриття у лабораторії. Система також включає набір сучасних методів випробувань, які дозволяють здійснювати оцінку властивостей в’яжучих і асфальтобетону з урахуванням заданих умов експлуатації.

Методика Суперпейв дозволяє підібрати суміш із заданими технічними характеристиками під конкретні умови експлуатації в залежності від клімату і транспортних навантажень. Особливе місце тут займає методологія вибору в’яжучого – основного матеріалу, який надає довговічність асфальтобетону. Суперпейв включає в себе методи випробувань асфальтобетону, засновані на оцінці його реологічних властивостей. 

Лабораторні випробування в’яжучого за допомогою спеціального обладнання відбуваються в трьох його станах:

• у вихідному,
• після короткострокового старіння
• після тривалого.

На підставі результатів випробувань визначається марка бітумного в’яжучого. Вона повинна відповідати температурним умовам у зоні експлуатації дороги і підбиратися на підставі розрахунків максимальної і мінімальної температурної межі. 

Також в’яжучі підбираються в залежності від інтенсивності руху, одна марка застосовується для доріг з низькою інтенсивністю руху, інша – для доріг з великим трафіком. Випробування проводяться з розрахунку всього терміну служби покриття, з урахуванням того, що в’яжуче старіє і щороку змінює свої властивості. Класифікація PG дозволяє підібрати саме той бітум, який потрібен для конкретної ділянки дороги.

Після випробувань в’яжучого фахівці вибирають крупний щебінь, який буде використовуватися при виготовленні суміші. Крупних фракцій в Суперпейв потрібно значно менше, ніж у поточних стандартах. Обираючи дрібні заповнювачі, спочатку потрібно визначити в ньому порожнечі, треба звернути увагу на те, щоб пустот між зернами була мінімальна кількість. 

Піски з відсіву дроблення не завжди відповідають цьому показнику, тому що в них досить багато пилу. За цим потрібно стежити, і, якщо матеріал застосовується для асфальтобетону за методологією Суперпейв, потрібно більш ретельно підходити до його відбору. Після цього йде підготовка мінеральної частини. Потім визначається фракція крупного і дрібного заповнювача, а також щільність мінерального порошку.

Ще одна особливість методології – вона дозволяє підібрати склад суміші використовуючи місцеві матеріали, а також матеріал зі старих асфальтобетонних покриттів (РАП). Застосовуваний лабораторний метод ущільнення за допомогою обертального ущільнювача (гіратор) імітує точну оцінку транспортного навантаження, яке витримує мінеральний склад асфальтобетону за розрахунковий період експлуатації. Кількість обертів на ньому вибирається залежно від інтенсивності руху на дорозі.

Наприклад, за методом Маршалла суміш ущільнюється пресом. Стиснули раз – і все. Натомість укладання асфальтобетону відбувається з чергування циклів навантаження: спершу суміш ущільнює легкий каток, за ним – середній, на фініші – важкий. Саме такий режим ущільнення можна отримати у лабораторних умовах застосовуючи методологію Суперпейв. 

Також у лабораторних умовах визначається максимальна щільність зразків, об’ємна щільність, водостійкість і вологонасичення. Тобто можна принципово оцінити можливість створення покриття з місцевих матеріалів, яке простоїть не менше десяти років. А вже потім замовник приймає рішення – використовувати місцевий матеріал або везти міцний щебінь здалеку.

В Україні вивчають і застосовують

Лідери дорожнього будівництва у розвинених країнах давно вже оцінили переваги, які дає проектування асфальтобетонів за системою Superpave. В Україні, на жаль, про неї знають мало, не вистачає необхідного лабораторного обладнання.  Однак, є дорожньо-будівельні компанії, які вже освоюють і застосовують передовий метод, серед них – “Автомагістраль-Південь”. Щоб повністю освоїти та використати можливості, які дає передова технологія, керівники та спеціалісти компанії періодично проходять навчання у найкращих світових лабораторіях та експертів дорожньо-будівельної галузі.   

Практика підтверджує 

Отже, американська система Суперпейв, дозволяє дорожньо будівельним компаніям уникнути неприємних “сюрпризів”. Адже у реальних умовах асфальт працює так само, як виготовлений у лабораторії. Методологія дозволяє заздалегідь усунути причини залишкової деформації (утворення колії), і різного виду утворення тріщин.