О Суперпейв в России

В связи с освоением Суперпейв в России и статьей к.т.н. Р.Б. Джуманова на эту тему, опубликованной недавно в газете «Российский дорожник», я хотел бы высказать некоторые соображения.

Мне кажется, что Р. Б. Джуманов недооценивает влияние американских инженеров на развитие технологий асфальтобетона в мире — и в России в частности.
Вот несколько примеров этого влияния:

1. Патент на песчаный асфальтобетон получил в 1870 г. E. J. De Smedt (US103,581).
2. Патент на асфальтобетон, содержащий щебень, песок и минеральный порошок, получил в 1903 г. F.Warren (US727,505), который и ввел понятие о минеральном порошке как о частицах, прошедших сквозь сито с 200 отверстиями на площади один квадратный дюйм.
3. В 1905 г. C. Richardson в своей книге о технологии асфальтобетона впервые ввел понятие пористости минерального материала смеси и воздушной пористости асфальтобетона. Он же предложил первый
   (визуальный) метод определения оптимального содержания в смеси битума (метод пятна).
4. В середине 1920-х P. Hubbard и F. Field предложили первый метод проектирования состава асфальтобетона, основанный на механическом испытании смеси.
5. В 1927 г. калифорнийский инженер F. Hweem предложил метод оценки битумоемкости смеси по удельной поверхности фракций каменного материала и прибор — стабилометр для испытания смеси, который теперь повсеместно используют для испытаний грунтов, а также в Суперпейв для испытания смеси (AMPT — Asphalt Mixture Performance Tester).
6. В 1933 г. инженер из Лос-Анджелеса R. R. Proctor разработал метод и прибор для оценки степени уплотнения грунта — метод стандартного уплотнения ударами падающего груза, который
7. В 1937 г. было предложено повсюду применяемое до сих пор испытание щебня во вращающемся лос-анджелесском барабане.
8. В 1938 г. был предложен свободно плавающий и самовыравнивающий рабочий орган — выглаживающая плита с вибратором (или без него) и трамбующий брус для укладки смеси (патент H. Barber, US 2,138,828). Появился первый самоходный асфальтоукладчик Barber-Green.
9. В 1952 г. A. Benkelman предложил всем известный рычажный прогибомер для измерения упругого прогиба поверхности покрытия.
10. В 1989 г. J. Brock, D. Smith и J. Renneck изобрели мобильный перегружатель асфальтобетонной смеси (патент US 4,818,139), позволяющий избавиться от сегрегации смеси и тем самым почти удвоить срок службы покрытия при прежнем расходе материалов.

Полагаю, этих примеров достаточно, чтобы очень внимательно отнестись к новой разработанной в США системе проектирования состава асфальтобетона — Суперпейв. Суперпейв разрабатывался в 1987-1993 гг., и он вобрал в себя все то лучшее, что было в методах Хвима и Маршалла. Наряду с американскими дорожниками, в работе участвовали исследователи из Англии, Франции, Голландии, Канады, Израиля, ЮАР и других стран. Научно-исследовательские работы по Суперпейв стоили 50 млн долл. При том что на асфальтобетонные покрытия в США ежегодно расходуют в среднем 10 млрд долл. (что составляет 20% всех федеральных расходов на дороги), эти 50 млн долл. окупаются за полгода, если позволят сэкономить хотя бы 1% стоимости покрытия.

Я впервые услышал подробный доклад о Суперпейв осенью 1992 г. на конгрессе «Евроасфальт» в Гааге. Докладчик — сотрудник Федеральной дорожной администрации США G.P. Jayaprakash, курировавший финансирование работ по Суперпейв, по моей просьбе прислал мне в Киев копию 52 цветных слайдов своего доклада. С этими слайдами я сделал сообщение о Суперпейв на собрании Ассоциации исследователей асфальтобетона в Павловске зимой 1993 г. Мною было опубликовано несколько обзорных статей о Суперпейв: в ежегодном выпуске «Дорожная техника» (2004, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.) и в журнале «Автомобильные дороги» (2014 г., №6 — требования к вяжущему, №7 — требования к каменному материалу, №9 — проектирование состава смеси). Буду считать, что читатель ознакомился хотя бы с тремя статьями в «Автомобильных дорогах». Этого более чем достаточно для понимания последующего.

Суперпейв — это основанная на эксплуатационных требованиях (расчетная летняя и зимняя температура, интенсивность движения) система выбора вяжущего, каменного материала и объемного проектирования состава асфальтобетонной смеси.

Для вяжущего разработали методики искусственного старения, имитирующего изменение его свойств в процессе приготовления смеси и в условиях длительной эксплуатации покрытия. Требования к механическим свойствам вяжущего сформулированы не на основе привычных эмпирических показателей свойств битума (пенетрация, температура размягчения), а на базе фундаментальных показателей реологии: комплексного модуля и фазового угла, определяемых испытанием вяжущего на кручение синусоидально изменяющейся нагрузкой при разных частотах и температурах. Эти показатели применимы как для битума, так и для полимерно-битумного вяжущего. Переход к фундаментальным показателям свойств повысил уровень понимания свойств материала и уровень проводимых исследований в нашей отрасли в целом. Требования к механическим свойствам вяжущего разработаны так, чтобы оно противостояло трем основным видам разрушения покрытий: остаточным деформациям в виде колеи при высоких температурах покрытия, образованию усталостных трещин от повторных колесных нагрузок при средних температурах и появлению поперечных трещин при резком охлаждении зимой.

Для приготовления образцов с целью проектирования смеси применили прибор гираторного (вращательного) уплотнения. Первый прибор такого типа был сконструирован в конце 1930-х годов в дорожном департаменте штата Техас, затем он дорабатывался в 1950-х в корпусе военных инженеров США, был запатентован в США в 1957 году, а в 1970-х усовершенствован в

Центральной лаборатории мостов и дорог Франции. Этот усовершенствованный вариант прибора был принят в качестве базового при разработке Суперпейв. Перед тем, как выбрать его, сравнивали 5 различных способов уплотнения смеси с показателями кернов, отобранных из дорожных покрытий, сопоставляя пористости, прочности на растяжение, предельные деформации при растяжении, модули упругости, деформации при ползучести. По совокупности, включая трудоемкость и разброс, был выбран метод гираторного уплотнения.

Много спорили о приборе для проверочного механического испытания подобранной смеси. Я согласен с Р.Б. Джумановым: наиболее привлекательным был разработанный группой К. Монисмита в университете Беркли прибор повторного сдвига при постоянной высоте образца SST — Superpave Shear Tester. Однако прибор оказался слишком дорогим и сложным в обслуживании. Его стоимость в 1995 г. составляла 230 тыс. долл., а на полный комплекс испытаний на нем требовалось от двух до четырех недель. В результате для проверочного испытания выбрали SPT (Simple Performance Tester), недавно переименованный в AMPT — Asphalt Mix Performance Tester. Это прибор типа стабилометра для испытания цилиндрического образца, уплотненного в гираторе повторной кратковременной нагрузкой с определением динамического модуля и с фиксацией накопления остаточной деформации. Стандарт по методике испытания на AMPT был подготовлен уже в начале 2000-х.

Важно понять: работа над Суперпейв не прекращается, и она идет параллельно с внедрением. Прошло некоторое время, пока я привык к такому подходу в США. Например, Microsoft разработал Windows. Он с помощью миллионов пользователей постоянно находит в этом программном обеспечении какие-то ошибки, слабые места и совершенствует его. Все время происходит Windows update. Я возмущался вначале:  сперва разработайте программный продукт как следует, а уж потом предлагайте. Но, с другой стороны, они ведь обновляют и совершенствуют его бесплатно!

Что же происходит с Суперпейв в США сегодня? Примерно то же самое. Его применяют и приспосабливают к своим нуждам. В 1970-х и 1980-х годах в США основным видом разрушения асфальтобетонных покрытий было образование колеи. Остаточные деформации интенсивно накапливались вскоре после ввода дороги в эксплуатацию. Естественно, при работе над Суперпейв в первую очередь стремились к уменьшению остаточных деформаций в жаркое время года. Эта цель была достигнута. Почти все штаты сообщили, что проблема образования колеи решена.

Однако выявились другие проблемы. Поверхность покрытия стала изменять черный цвет на серый слишком быстро. Появилось шелушение. Стали слишком скоро возникать по полосе наката продольные усталостные трещины с поперечными ответвлениями. Просто стремление уменьшить колею за счет подбора зернового состава и уменьшения содержания битума привело к тому, что вяжущего в смеси стало слишком мало. Возможно, оказало влияние и применение большого количества добавленного старого асфальта в новых смесях. В некоторых штатах «целевую» воздушную пористость (к середине срока службы), принятую в Суперпейв равной 4%, уменьшили до 3,5% (например, в штате Мериленд) или даже до 3%, а пористость минеральной части асфальтобетона увеличили. Тем самым создали больше места для битума. Появился так называемый сбалансированный Суперпейв (Balanced mix design method), разрабатываемый в Иллинойсе, Калифорнии, Техасе и Миннесоте. Аналогичной метод появился, например, в штате Висконсин (Regressed mix design). В штате Алабама проектное число оборотов гиратора уменьшили с 125 до 100. Все эти методы основаны на Суперпейв.

Другой  вопрос состоит в том, что в США при целевой пористости 4% асфальтобетона в середине срока службы со времен широкого применения метода Маршалла нормами уплотнения смеси принималась степень уплотнения 92-93%, т.е. до пористости асфальтобетона 7-8%. При пористости асфальтобетона выше 7% его водопроницаемость резко увеличивается, поскольку внутренние воздушные поры становятся почти полностью связанными между собой. Считалось, что под действием повторных проездов колес начальная пористость 7-8% примерно к середине срока службы уменьшится до 4%. С другой стороны, исследования показали, что слишком плотные смеси быстро образуют колею: как только асфальтобетон под действием движения автомобилей доуплотнится до воздушной пористости 2-2,5%, его остаточные деформации летом нарастают лавинообразно. По-видимому, при пористости около 2,5% воздушные пузырьки теряют связность, т.е. они становятся замкнутыми, и поэтому асфальтобетон не может доуплотняться, а сдвигается в сторону от полосы наката, образуя колею.

Р.Б. Джуманов справедливо отмечает, что в типичных условиях средней полосы России пористость 7-8% в верхнем слое покрытия неприемлема. В связи с этим представляют интерес недавние исследования, проведенные в шт. Индиана на основе разработок Центральной лаборатории мостов и дорог Франции (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées -LCPC). Они приняли в качестве целевой пористость асфальтобетона 5% и такую же пористость 5% приняли для асфальтобетона при окончании укатки. Уменьшили угол наклона гиратора и проектное число его оборотов. Подобрали крупность щебня и толщину уплотняемого слоя для типичных катков. Опытные участки построили в шт. Индиана в 2013 г., и в 2018 г. они были в хорошем состоянии по всем показателям. В Индиане этот метод назвали Suprepave5.

Из приведенных примеров можно видеть, что в США стремятся развивать Супепейв, приспосабливая его подход к своим условиям. А ведь условия эти от Аляски до Флориды примерно так же разнообразны, как от Чукотки до Сочи.

В США происходит постоянный обмен информацией. Ежегодно зимой в Вашингтоне собирается конференция Транспортного отдела Национальной академии наук (TRB). В марте проходит наиболее значительная конференция Ассоциации технологов асфальтобетона (AAPT). Эта ассоциация существует с 1924 г. и насчитывает около 800 членов из разных стран. Я являюсь ее членом с 1998 г. На ежегодных конференциях присутствуют 250-350 участников. Все доклады (обычно 25-28 докладов) публикуются вместе с вопросами-ответами и дискуссией по докладу. Ежегодно получается книга объемом 850-1000 страниц. У меня есть все они, начиная с 1928 г. — 88 томов за исключением четырех военных лет. Можете себе представить этот объем информации. Мне дважды приходилось встречать на этих конференциях американцев, читавших в оригинале статьи и книгу А.С. Колбановской на русском языке. Но я никогда не встречал там никого из России, кроме Р.Б. Джуманова. В конце мая ежегодно проходит конференция в Лэреми (Вайоминог), которую организует Western Research Institute. Она менее формальная и абсолютно открыта для дискуссий.  Для участия в этих конференциях достаточно оплатить регистрационный взнос. Сделав доклад на одной из конференций в Лэреми об усталости асфальтобетона в 1997 г., я в том же месяце получил приглашение на интервью, а затем и работу.

Не могу согласиться с мнением Р.Б. Джуманова о том, что Суперпейв — это «провал» и «сомнительная инновация». Хотел бы заключить следующим:

1. Суперпейв — успешный, перспективный, непрерывно развивающийся метод проектирования состава асфальтобетона.
2. Стремление к применению Суперпейв уже дало толчок к модернизации и укреплению лабораторной базы дорожной отрасли в России.
3. Развитие Суперпейв применительно к конкретным условиям России требует активного участия грамотных специалистов, непрерывно следящих за мировым опытом в этом деле.
4. Нужна более гибкая система стандартизации в дорожной отрасли России. Простое копирование и освоение не приведет к желаемым результатам. Стандарты нужно приспосабливать к разнообразным природным условиям страны.

Б.С. Радовский, д.т.н., профессор (Лос-Анджелес)

 

*Подробную версию статьи читайте в №135 журнала Мир Дорог — https://drive.google.com/file/d/1el_nuG8HqawLahtrn2DGaH0wRfRRGejp/view?usp=sharing