способы проектирования асфальтобетона

К 1912 году компания Warren Brothers уложила асфальтобетонные покрытия в 150 городах, выдавая пятилетнюю гарантию их службы до ремонта. Даже при этом за счет уменьшения содержания битума получалась экономия около 3 долларов на м2. Хотя действие

Практика же показала, что на покрытии из песчаного асфальтобетона при проезде конных повозок, имевших колеса с узким жестким ободом, колея образуется быстрее, чем на покрытии из щебеночного асфальтобетона. После успешного строительства покрытия в г. Топека (шт. Канзас) в 1909 г. в суд обратилась уже компания Warren Brothers, поскольку впервые был применен асфальтобетон, приготовленный с применением мелкого щебня. Суд постановил, что ограничение максимальной крупности щебня 12,5 мм не нарушает патента Уоррена, в котором было указано верхнее значение 75 мм. Это стимулировало применение мелкозернистых щебеночных асфальтобетонных смесей, которые проявили себя более технологичными, имели более гладкую поверхность, чем крупнозернистые, и работу с ними было легче механизировать.

В те далекие времена юристов в США было относительно немного (зато сейчас их в этой стране больше, чем во всем остальном мире, и не совсем очевидно, почему), но тем не менее асфальтовая компания Barber немедленно начала судебный процесс против Warren Brothers Co. Уменьшение расхода битума грозило снижением доходов компании Barber, которая в то время имела исключительные права на поставку тринидадского асфальта в США. Компания Barber пыталась доказать, что применение крупного камня в смеси ухудшает свойства покрытия по сравнению с песчаным асфальтобетоном. Кроме того, инженеры компании Barber, пользовавшейся большим авторитетом, стали повсюду разъяснять недостатки смесей, в которых применяется крупный щебень: расслоение при перевозке, когда крупные зерна «всплывают», а мелочь накапливается внизу, что приводит к неоднородности смеси; трудность укладки и уплотнения, а поэтому снижается производительность; неровное покрытие и так далее. Действие патента Ф. Уоррена было приостановлено, но судебный процесс фирма Barber проиграла.

В 1901 г. Ф. Уоррен отправил заявку на патент на покрытие из асфальтобетонной смеси, содержащей дробленый каменный материал. В патенте (номер 727.505) он указал, что каменный материал должен содержать от 50 до 80 % частиц крупнее 0,63 мм и мельче 75 мм, а «мельчайшего порошка» в нее нужно добавлять от 1 до 3 %. При этом под «мельчайшим порошком» понимались частицы, прошедшие сквозь сито с 200 отверстиями на площади один квадратный дюйм (поэтому его называют ситом номер 200) диаметром 0,075 мм. Сейчас мы его называем минеральным порошком. В описании изобретения Ф. Уоррен подчеркнул, что поры в песке занимают не менее 20 % объема и их большая часть должна быть заполнена битумом, тогда как применение щебня позволяет уменьшить пористость до 10 %. В итоге, за счет рационального подбора зернового состава минерального материала он добился уменьшения пористости минерального остова, а поэтому уменьшил расход дорогостоящего битума примерно в два раза по сравнению с песчаным асфальтобетоном. Благодаря этому компания Warren Brothers снизила цену до 2,8 долларов за м2 покрытия и стала сильным конкурентом.

Хорошая видимость разметки покрытия –одно из важнейших требований его эксплуатационного состояния.

Технология щебеночного асфальтобетона появилась в США благодаря Фредерику Уоррену (F. J. Warren). С 1890 г. он занимался кровельными работами с применением битума, а затем заинтересовался дорожным строительством. Ф. Уоррен быстро пришел к пониманию того, что дорожники не сформулировали технических требований к песку, не имеют правил подбора и испытания смесей и расходуют слишком много дорогого битума на приготовление песчаного асфальтобетона. Он поставил такой замечательный опыт – изготовил образец камня в виде правильного куба с длиной ребра 30 см и взвесил его. Затем разбил его на кубообразные части размером 5 см и заполнил ими деревянный ящик с внутренними размерами 30×30×30 см. В ящик поместилось лишь около половины веса исходного каменного куба, а остальной объем ящика приходился на воздушные поры. Однако, постепенно измельчая камень и заполняя ящик, он убедился, что при определенной пропорции частиц разного размера можно заполнить камнем до 90 % объема ящика. Затем он задумался над связью величины поверхности каменного материала с требуемым содержанием битума в смеси.

К. Ричардсон считается в США классиком в области технологии асфальтобетона. Он написал в 1905 г. первую книгу, посвященную этой технологии; ввел понятия пористости минерального остова и пористости асфальтобетона, а также описал предложенный им же метод определения оптимального содержания битума. Для этого образец песчаной асфальтобетонной смеси прижимали к листу плотного картона с гладкой поверхностью. Затем образец удаляли и рассматривали пятно, оставшееся на картоне. Если оно было темным, это означало избыток битума, если светлым, то надо было добавить битум, а пятно средней интенсивности отвечало оптимуму битума. Фактически это был первый метод проектирования состава смеси. Так развивалась в США технология песчаного асфальтобетона (sheet asphalt).

Подбором смеси и контролем качества в компании Barber Asphalt Paving Company занимался выпускник Гарварда химик К. Ричардсон (C Richardson), придававший особое значение зерновому составу минерального материала, особенно – непрерывности гранулометрической кривой в области частиц мельче 0,5 мм. Он дозировал минеральный порошок в зависимости от зернового состава песка, поставлявшегося из каждого большого карьера, и держал рабочие формулы смесей в секрете. С учетом содержания пылеватых частиц в песке и в озерном асфальте получалось, что рекомендовавшиеся Клиффордом Ричардсоном смеси содержали до 13 % частиц мельче 0,075 мм (фракции минерального порошка).

За успехом песчаного асфальтобетона последовало строительство других покрытий. На многих из них, однако, вскоре появились трещины. Было решено, что это вызвано чрезмерной жесткостью тринидадского вяжущего. В 1899 году был разработан метод испытания битума на пенетрацию. Стало ясно, что чрезмерная жесткость битума действительно приводит к быстрому растрескиванию покрытия, и было предложено применять менее вязкие битумы, достигая нужной жесткости материала покрытия добавлением мелкого материала в смесь с битумом меньшей вязкости. С 1883 года главным поставщиком тринидадского природного озерного асфальта стала компания, которую основал A. L. Barber (российским дорожникам известны современные асфальтоукладчики компании Барбер-Грин; F. V. Greene был первым вице-президентом этой компании). Уже к 1898 году эта компания уложила песчаный асфальтобетон более чем в сотне городов на улицах общим протяжением 1500 миль (2400 км). В отсутствие конкурентов цена составляла до 6 долларов за м2 покрытия, а впоследствии при 3–4 конкурировавших фирмах снизилась до 3,5–4,0 долларов за м2.

Примерно 140 лет назад бельгийский химик Edward J De Smedt обнаружил, что сопротивление деформированию смеси песка и битума можно повысить путем надлежащего выбора содержания в ней вяжущего. После эмиграции в США, работая в Колумбийском университете, он в 1870 году запатентовал песчаный асфальтобетон с соотношением содержания битума и песка 1:5 (патент США 103.581 – рис. 1). В том же году под его руководством был устроен небольшой участок с таким покрытием в г. Ньюарке (штат Нью-Джерси), а в 1877 году сделано покрытие на центральной улице столицы США г. Вашингтона площадью 45000 м2 (первая половина которого была построена из смеси песка с природным асфальтом, доставленным с острова Тринидад, а вторая – из горного природного асфальта, импортированного из Франции). Песчаный асфальтобетон в виде смеси песка с тринидадским озерным асфальтом оказался лучше. Тринидадский асфальт содержит 50–57 % битума и коллоидную глину вулканического происхождения, характеризуется плотностью 1,42 г/см3, температурой размягчения 93–97 °С и глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) 3–10.

Рис. 1. Первый патент США на песчануюасфальтобетонную смесь. Все описаниепоместилось на одной странице.

Интересно и поучительно проследить за основными этапами развития инженерной мысли в области проектирования состава смеси и технологии производства асфальтобетона на примере США.

Развитие технологии асфальтобетона и методов подбора состава смеси

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ В США

Проектирование состава асфальтобетонных смесей...

Санкт-ПетербургИнформационно-строительный портал

Проектирование состава асфальтобетонных смесей в США