Основную часть массы асфальтового покрытия составляет заполнитель; битум — это лишь тонкая плёнка, скрепляющая частицы между собой. То, выдержит ли покрытие нагрузку от колёс, не станет ли скользким под дождём, не разрушится ли зимой и не образует ли колею в летнюю жару, в основном зависит от того, как выбраны эти частицы. Свойства, важные для бетонного заполнителя, в асфальте меняются местами: здесь на первый план выходят твёрдость, форма зерна, устойчивость к полировке и сцепление с битумом. Это руководство на практических примерах объясняет, что измеряет каждый показатель в протоколе испытаний асфальтового заполнителя, в чём его логика и почему требования для слоя износа и для основания различаются.
Почему заполнитель для асфальта оценивается иначе, чем заполнитель для бетона?
В бетоне заполнитель заключён в жёсткую матрицу цементного теста; нагрузку распределяет матрица, а заполнитель в основном выполняет роль наполнителя и каркаса. В асфальте же вяжущее — битум — представляет собой вязкоупругий материал, который размягчается при нагреве, стареет со временем и может течь под нагрузкой. Поэтому в асфальтовом покрытии несущей структурой, реально воспринимающей нагрузку, является каркас заполнителя, образованный зацеплением зёрен между собой. Если зёрна недостаточно твёрдые, они разрушаются под трафиком; если у них плохая форма, они не зацепляются и покрытие течёт в колею; если поверхность полируется, дорога становится скользкой во влажном состоянии; а если они плохо сцепляются с битумом, между ними проникает вода и зёрна отслаиваются.
Эти четыре вопроса резюмируют всю программу испытаний асфальтового заполнителя: долговечность, форма, поверхность и сцепление. В Европе и Турции требования к заполнителю для битумных смесей определяет стандарт TS EN 13043; он привязывает каждое свойство к методу испытаний и выражает результаты в виде категорий. А то, какая категория требуется для какого слоя, устанавливает техническое задание дорожной администрации. Поэтому первое, что должен выяснить производитель асфальтового заполнителя, — для какого слоя и какого класса интенсивности движения предназначена продукция: один и тот же карьер может вполне подходить для основания, но не соответствовать требованиям слоя износа.
Свойства, выходящие на первый план в бетонном заполнителе, например щёлочно-силикатная реактивность и содержание глины, не теряют значения в асфальте, но отходят на второй план. Напротив, полируемость поверхности и сродство к битуму, второстепенные для бетона, в асфальте становятся решающими. О точке зрения со стороны бетона можно прочитать в статье как качество заполнителя влияет на бетон.
Испытание на истираемость по Лос-Анджелесу: что оно измеряет и в чём его смысл
Испытание по Лос-Анджелесу — самое распространённое в мире испытание на прочность заполнителя, измеряющее его совокупную стойкость к удару и истиранию. Сухую пробу заполнителя определённой фракции помещают в горизонтальный барабан со стальными шарами. Барабан вращают заданное число оборотов; при каждом обороте полка на внутренней стенке барабана поднимает заполнитель и шары и сбрасывает их вниз. Частицы подвергаются как ударам шаров, так и трению друг о друга. По завершении испытания пробу просеивают через определённое сито, и процент прошедшего через сито, то есть раздробленного материала, указывается как потеря при истирании по Лос-Анджелесу. Чем ниже значение, тем прочнее заполнитель.
Логика испытания заключается в том, что оно одновременно имитирует два вида нагрузки, которые покрытие испытывает в реальности. Во время укладки и уплотнения каток сталкивает частицы друг с другом; под воздействием движения нагрузка от колеса одновременно сжимает частицы и заставляет их тереться друг о друга. Мягкая или имеющая внутренние трещины частица разрушается под этой нагрузкой, при разрушении гранулометрический состав меняется, содержание пустот в смеси нарушается, и битумная плёнка не может покрыть новые сколотые поверхности. Таким образом, высокая потеря по Лос-Анджелесу говорит не только о слабости камня, но и о том, что состав смеси со временем разрушится на объекте.
Для известняка это тот показатель испытания, который нужно читать особенно внимательно. Из-за относительной мягкости минерала кальцита потеря в барабане Лос-Анджелеса у известняков, как правило, выше, чем у базальта и гранита; однако разница между перекристаллизованными, плотными по текстуре известняками и рыхлыми ракушечными известняками очень велика. Часть известняков в окрестностях Milas благодаря плотной структуре, близкой к метаморфической, может без труда давать подходящие результаты для основания и связующего слоя, а на подходящих горизонтах — и для истираемого слоя. Это определяется регулярными испытаниями на уровне карьера, а не названием породы. Об общем характере известняка можно прочитать в статье что такое известняк.
Индекс лещадности и доля дробленых поверхностей: как формируется скелет?
Несущий каркас асфальтовой смеси образуется за счёт взаимного заклинивания частиц. Наилучшее заклинивание обеспечивают кубовидные частицы, у которых все три измерения близки друг к другу. Плоские и удлинённые частицы создают две проблемы: при уплотнении они укладываются друг на друга плоскими гранями и приобретают преимущественную ориентацию, что ослабляет заклинивание; кроме того, из-за тонкого сечения они легко разрушаются под катком и под воздействием движения. Разрушившаяся плоская частица запускает цепочку, описанную в разделе про Лос-Анджелес.
Индекс лещадности переводит эту проблему формы в числовое значение. Каждая группа фракций сначала разделяется на сите с квадратными ячейками, а затем пропускается через стержневое сито, соответствующее этой фракции. Зёрна, которые проходят через стержневое сито, то есть имеющие толщину малую по отношению к длине, считаются лещадными; их процентная доля в общей массе и есть индекс лещадности. Низкий индекс означает кубовидный и хорошо оформленный заполнитель. Форма зависит не столько от природы породы, сколько от конфигурации дробильной линии: слоистый известняк в щековой дробилке склонен образовывать лещадные зёрна, однако замкнутый цикл с использованием конусной или ударной дробилки на вторичной и третичной стадиях в значительной степени устраняет эту тенденцию.
Доля дроблёных граней измеряет ещё одну характеристику формы. В заполнителях, изготовленных из природного гравия, частицы округлые и гладкие; они создают меньшее трение с битумом и не образуют «скелет». В ходе испытания частицы исследуются по одной и разделяются на полностью дроблёные, частично дроблёные и с округлой поверхностью, после чего рассчитывается их процентное содержание по массе. В известняковом заполнителе, добываемом в карьере как дробленая порода, все грани являются раздробленными, поэтому этот критерий выполняется автоматически; испытание в первую очередь имеет смысл для заполнителей, полученных из речного гравия. Для верхнего слоя покрытия и дорог с интенсивным движением требуется высокая доля полностью дроблёных граней, поскольку сопротивление колееобразованию напрямую зависит от трения частиц друг о друга.
Коэффициент полируемости (PSV) и сопротивление скольжению
Верхний слой покрытия — это поверхность, с которой непосредственно контактирует колесо, и безопасное торможение на мокрой дороге зависит от микрошероховатости этой поверхности. С каждым проездом колесо трением немного больше сглаживает верхнюю поверхность зёрен; зёрна из мягких минералов со временем приобретают гладкую, глянцевую поверхность, на которой шина теряет сцепление. Этот процесс называется полировкой, а способность заполнителя противостоять ему — коэффициентом полируемости (PSV, polished stone value).
В ходе испытания частицы заполнителя укладываются по окружности колеса и устанавливаются в машину ускоренной полировки. Резиновое колесо вращается по образцам в течение определённого времени вместе с абразивным порошком и водой, сжимая годы дорожного движения до нескольких часов. Затем поверхностное трение отполированных образцов измеряется с помощью маятникового прибора, скользящего по влажной поверхности. Чем меньше маятник теряет амплитуду качания, тем более скользкой является поверхность. Результат выражается числом, при котором более высокое значение означает лучшее сопротивление скольжению.
Сопротивление полируемости напрямую связано с минеральным составом породы. В породах, где присутствуют минералы разной твёрдости, мягкие минералы истираются первыми, твёрдые остаются в виде выступов, и поверхность постоянно обновляется; такие породы дают высокий коэффициент полируемости. Породы же, состоящие из одного минерала и истирающиеся однородно, стремятся к гладкой, скользкой поверхности. Известняк ближе ко второй группе: из-за преобладания кальцита многие виды известняка дают средний или низкий коэффициент полируемости. Поэтому в верхнем слое покрытия дорог с интенсивным движением известняк либо смешивают с породой, устойчивой к полировке, либо используют только в нижних слоях. На дорогах с низкой и средней интенсивностью движения, за исключением таких критических участков, как перекрёстки и рампы, подходящий известняк может применяться и самостоятельно в верхнем слое покрытия; решение принимается на основании технических требований дорожной администрации и измеренного значения.
Водопоглощение и стойкость к замораживанию-оттаиванию
Водопоглощение — это количество воды, которое частица заполнителя может впитать в свои поры относительно сухой массы, и в асфальте это приводит к двум разным последствиям. Во-первых, пористая частица впитывает не только воду, но и битум. Часть битума, добавленного в смесь, втягивается внутрь частиц, из-за чего эффективная плёнка, окружающая частицы, становится тоньше; это приводит к преждевременному старению покрытия, его охрупчиванию и повышенной склонности к отслаиванию. Эта потеря учитывается при проектировании состава смеси, однако при высоком водопоглощении это становится экономически и технически неоправданным.
Второе следствие — циклы замораживания-оттаивания. Вода, проникшая в поры, при замерзании расширяется и разрушает зерно изнутри; этот цикл повторяется десятки раз за каждую зиму. Плотные породы с низким водопоглощением не подвержены этому циклу, тогда как пористые породы рассыпаются уже за несколько зим. Морозостойкость можно измерить напрямую, а также оценить с помощью испытания, при котором зёрна заполнителя многократно погружают в насыщенный раствор сульфата магния и высушивают, имитируя замерзание за счёт роста кристаллов. Заполнитель, показавший высокую потерю массы в этом испытании, не допускается к применению в верхнем слое покрытия в холодном климате.
Водопоглощение известняка — одно из свойств, наиболее сильно меняющихся в зависимости от уровня карьера. Плотный, перекристаллизованный известняк даёт низкое водопоглощение, тогда как ракушечные разновидности и породы с полостями растворения показывают высокое водопоглощение. То, что эти два типа могут сосуществовать в пределах одного карьера, ещё раз показывает, почему выбор уровня и регулярные испытания незаменимы. Поскольку эгейский прибрежный климат переживает значительно меньше циклов замерзания-оттаивания по сравнению с внутренними и восточными регионами, значимость этого критерия меняется в зависимости от расположения проекта; однако влияние водопоглощения на расход битума актуально в любом климате.
Сцепление с битумом и отслаивание: в дело вступает химия заполнителя
Самая коварная форма разрушения асфальтового покрытия — отслаивание (стриппинг): вода проникает между плёнкой битума и поверхностью заполнителя, разрушает сцепление, и частицы отделяются от битума. Результат — сначала зернистая, шелушащаяся поверхность и выкрашивание, а затем образование выбоин. Причина этого процесса кроется в химическом взаимодействии между битумом и поверхностью заполнителя. Битум конкурирует с водой за поверхность заполнителя, и если поверхность более склонна к воде, то есть гидрофильна, битум проигрывает эту конкуренцию.
Богатые кремнезёмом породы, в частности кварцит, гранит и некоторые песчаники, обладают кислой поверхностной химией и склонностью притягивать воду; асфальты, изготовленные с использованием этих пород, более подвержены отслаиванию. Известняк же — порода с основной поверхностью. Поверхность карбоната кальция образует более прочную связь с кислотными компонентами битума и притягивает меньше воды. Это наименее известное, но, пожалуй, самое ценное свойство известняка в асфальте: уступая кремнистым породам по полируемости и износостойкости, он превосходит их по адгезии. Именно поэтому на практике в некоторые смеси с кремнистым заполнителем добавляют определённое количество известняковой муки или гашёной извести; известь выступает в роли добавки, повышающей адгезию.
Адгезия измеряется в лаборатории путём перекатывания покрытых битумом зёрен заполнителя в воде в течение определённого времени с последующей оценкой доли поверхности, сохранившей битумное покрытие; чем выше сохранившаяся доля покрытой поверхности, тем лучше сродство. Кроме того, контроль проводится и на уровне смеси — путём сравнения прочности уплотнённых образцов смеси в водонасыщенном и сухом состоянии. Если адгезия окажется недостаточной, используются активаторы адгезии на основе аминов или гашёная известь; однако правильный выбор заполнителя изначально снижает зависимость от таких добавок.
Износостойкий слой и слой основания: почему требования отличаются?
Асфальтовое покрытие — это не единый материал, а система слоёв, каждый из которых выполняет свою задачу. Внизу находится битумное основание, посередине — связующий слой, а сверху — слой износа. Требования этих слоёв к заполнителю зависят от нагрузок, которым они подвергаются; поэтому предъявлять один и тот же критерий с одинаковой строгостью к каждому слою — это и лишние затраты, и напрасная трата ресурсов.
Верхний слой покрытия непосредственно воспринимает нагрузку от колёс, трение шин, воду, солнце и перепады температуры. Здесь предъявляются самые строгие требования к коэффициенту полируемости, показателю износа по Лос-Анджелесу, индексу лещадности, доле дроблёных поверхностей и водопоглощению; заполнитель должен оставаться твёрдым и шероховатым, при этом хорошо сцепляться с битумом. Удовлетворить эти требования одной породой не всегда возможно, поэтому широко распространены составы, в которых твёрдый кремнистый заполнитель смешивается с основным известняком: один обеспечивает сопротивление скольжению, другой — адгезию.
Связующий слой принимает нагрузку от слоя износа и распределяет её; поскольку устойчивость к колееобразованию здесь критична, на первый план выходят форма зерна и сцепление между частицами, а полируемость роли не играет, ведь шина никогда не касается этих частиц напрямую. Битумное основание, напротив, несёт наибольшую нагрузку по объёму; здесь допускаются более гибкие категории по показателю потери в барабане Лос-Анджелес и форме зерна, а решающим фактором становится экономическая эффективность. Известняковый заполнитель пользуется этой гибкостью и становится естественным выбором для связующего слоя и основания. В зернистом основании и подстилающем слое под асфальтом требования снова меняются; об этом слое можно узнать в статье что такое стабилизированный грунт.
Правильный подход — определить по спецификации требуемые категории для каждого слоя проекта и сопоставить их с измеренными показателями каждого уровня карьера. Таким образом материал, отвечающий самым строгим требованиям, направляется только в тот слой, где он действительно нужен, а остальные слои производятся из более экономичных фракций. İTS Maden на своём известняковом карьере в Милас производит фракции для асфальтовых и дорожных слоёв с учётом этого разделения и предоставляет результаты испытаний продукции по каждому слою отдельно. Вы можете ознакомиться с нашей системой контроля качества и связаться с нами, чтобы определить подходящие фракции для слоёв вашего проекта.
