Пројектовање асфалтних мешавина KОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ I предавање Пројектовање минералних и асфалтних мешавина Циљ Пројектовати економичну мешавину минералног материјала (агрегата) и везива која задовољава пројектне критеријуме(техничке услове) Класичне методе Marshall(Маршал) Hveem Приближна метода LCPC (Дуриез) Нови приступ Метода Superpave (USA) Хармонизоване Европске норме Пројектни захтеви за асфалтне Стабилност(отпорност на деформације под оптерећењем) Трајност(отпорност на климатске утицаје и дејство саобраћаја) Флексибилност (отпорност на замор под дејством оптерећења) Храпавост(отпорност на клизање површине коловоза) Водонепропустљивост Уградљивост Асфалтне по Српским стандардима Асфалт-бетони, SRPS U.Е4.14/19. АБ4, АБ8, АБ11, АБ11с, АБ16, АБ16с, АБ22с Битуменизирани носећи слојеви, SRPS U.Е9.21/1986. БНХС16, БНС22, БНС 22с, БНС32, БНС32с, БНС45 Доњи битуменизирани носећи слојеви SRPS U.Е9.28/1986. Крупнозрни ДБНС /32, /, / Средњезрни ДБНС Ситнозрни ДБНС Ливени асфалти, SRPS U.Е4./19. Ливени асфалт Тврдо ливени асфалт Савремене асфалтне Скелетни мастикс асфалт (Stone Mastix Asphalt) SMA немачки стандарди T bit St 1/1. SMA /11 S, SMA /8 S, SMA /8, SMA /5 Порозни асфалти До % шупљина Смањење буке Одводњавање Танки асфалт-бетонски слојеви (TM) (слојеви дебљине 2 3 cm) Mикро-асфалт... Типови асфалтних мешавина према хармонизованим европским нормама SRPS EN 1318-1: Асфалт-бетони SRPS EN 1318-2: Асфалт-бетони за врло танке слојеве (2 3 cm) (TM) SRPS EN 1318-3: Меки асфалти (Скандинавске земље) SRPS EN 1318-4: Вруће ваљани асфалти SRPS EN 1318-5: SMA SRPS EN 1318-6: Ливени асфалти SRPS EN 1318-7: Порозни асфалти SRPS EN 1318-8: Рециклирани асфалти SRPS EN 1318-9: Асфалтне за ултра танке слојеве од асфалт-бетона (ULTAC) - драфт 1
Означавање асфалтних мешавина према Европским нормама AC Тип SMA Максимална величина зрна агрегата D 4 8 11 16 22 32 СЛОЈ SURF IN ASE Тип везива / /45 / / / /1 Пример: AC 11 SURF / Пројектовање асфалтних мешавина 1. Пројектовање минералне 2. Одређивање оптималног садржаја везива На бази запреминске структуре асфалтне На бази физичко-механичких карактеристика асфалтне Према европским нормама два приступа: Емпириjски Фундаментални Пројектовање минералне Максимално зрно агрегата 1/2-1/4дебљине асфалтног слоја (услов збијања) Крупнозрније већа носивост већа отпорност на клизање већи запремински удео агрегата мања специфична површина зрна агрегата потребно мање везива за обавијање зрна већа отпорност на колотраге већа опасност од сегрегације Ситнозрније мања опасност од сегрегације мањи ниво буке мање хабање пнеуматика Пројектовање минералне Гранулометријски састав минералног материјала кључни утицај на карактеристике асфалтне Теоретски најбоља гранулација -она која даје мешавину са максималном запреминском масом Мања зрна попуњавају шупљине између већих зрна и тиме повећавају стабилност (зрна агрегата су у међусобном контакту) и смањују порозност Одређене шупљине су неопходне да би се обезбедио простор за везиво Униформно градуирана (једнозрнаста) мешавина Мало контактних тачака између зрна агрегата Лош interlock лоша укљештеност зрна Велика порозност Добро градуирана мешавина Добар interlock добра укљештеност зрна Мала порозност Велика запреминска маса 2
Дисконтинуална мешавина Само одређене фракције Добар interlock Добра укљештеност зрна Мала порозност Гранулометријски састав минералне Фулерова крива (Fuller and Thompson, 17): d P D P пролаз на ситу d, % d величина зрна за коју се утврђује пролаз D максимална величина зрна у мешавини n параметар којим се дефинише финоћа Теоретски n.5 мешавина максималне густине Усвојено n.45 као оптималноза асфалтне n Стандардни дијаграм гранулометријског састава Пролази кроз сито у % масе ситан Дијаграм гранулометријског састава минералне ПЕСАК средњи крупан D Линије максималне густине КАМЕНА СИТНЕЖ - ШЉУНАК 1 Остаје на ситу у % масе Гранулометријски састав пример АБ 11 Отвор сита (mm) Пролаз на ситу 11.2 P(11.2/11.2).45 1% 8 P(8/11.2).45.85985.9% 4 P(4/11.2).45.62962.9% 2 P(2/11.2).45.46146.1%.71 P(.71/11.2).45.28928.9% 1.9.25.71 2. 3. 4. 5. 7. 8. 11.2 12. 16. 18.. 22.4 25. 31.5 35. 45. Страна квадратног отвора сита уmm (d.45 ).25 P(.25/11.2).45.18118.1%.9 P(.9/11.2).45.11411.4% Гранулометријски састав - пример АБ 11 Типови минералних мешавина Дијаграм гранулометријског састава минералне Дијаграм гранулометријског састава минералне ПЕСАК ситан средњикрупан КАМЕНАСИТНЕЖ- ШЉУНАК D11.2 85.9 % 1 ситан ПЕСАК средњикрупан Добро градуирана мешавина КАМЕНАСИТНЕЖ- ШЉУНАК 1 Пролазикрозситоу % масе 1 11.4 % 62.9 % 46.1 % 28.9 % 18.1 % Остаје на ситу у % масе Пролазикрозситоу % масе Дисконтинуална мешавина 1 Униформна мешавина Остаје наситу у % масе.9.25.71 2. 3. 4. 5. 7. 8. 11.2 12. 16.18.. 22.4 25. 31.5 35. 45. Странаквадратноготвораситау mm (d.45 ).9.25.71 2. 3. 4. 5. 7. 8. 11.2 12. 16. 18.. 22.4 25. 31.5 35. 45. Странаквадратноготвораситау mm (d.45 ) 3
Гранични појас -пример АБ 11с и SMA/11S Пролазикрозситоу % масе 1 ситан Дијаграм гранулометријског састава минералне ПЕСАК средњикрупан КАМЕНАСИТНЕЖ- ШЉУНАК 1 Остаје наситу у % масе Пројектовање минералне Одређивање учешћа појединих фракција у минералној мешавини тако да гранулометријска крива буде у граничном појасу Прорачун гранулометријског састава P P a + P b +... + P x i Ai i P i пролаз минералне од фракција A,,...X на ситу i P Ai, P i, P Xi - - пролаз фракција A,,...X на ситу i a, b, x - пропорционално учешће фракција у мешавини, а+b+ +x1 ( %) Xi.9.25.71 2. 3. 4. 5. 7. 8. 11.2 12. 16.18.. 22.4 25. 31.5 35. 45. Странаквадратноготвораситау mm (d.45 ) Пројектовање минералне Метода Сојуз-Дорни Дефинисати жељену гранулометријску криву Најчешће средња линија граничног појаса Срачунати пролазе и остатке на свим ситима Одредити процентуално учешће фракција камене ситнежи у минералној мешавини (изузев песка) OMM,2 U 2/ 4 O2/ 4,2 U 2/4 процентуално учешће фракције 2/4 mmу мешавини О MM,2 остатак на ситу 2 mm О 2/4,2 остатак фракције 2/4 mmна ситу 2 mm Пројектовање минералне Метода Сојуз-Дорни Одредити процентуално учешће каменог брашна Користи се пролаз кроз сито.9 mm(према старим SRPS нормама) U K (P MM,9 /P K,9 ) Одредити процентуално учешће песка као разлику до % U P -(ΣU KS +U K ) Прорачун запреминске масе минералне Одредити запреминску масу минералне ако су познате запреминске масе без шупљина фракција каменог агрегата Прорачун запреминске масе без шупљина минералне GMM a b x + +... + G G G G a, G b, G X - - запреминска маса фракција a, b,...x a, b, x - процентуално учешће фракција у мешавини, a+b+ +x % a b X Запреминска структура асфалтних мешавина Запреминска маса асфалтне (слоја или лабораторијског узорка) у збијеном стању ( m ) Максимална запреминска маса( max ) Шупљинеиспуњене ваздухом ( Š ) Ефективна запремина агрегата( A ) Шупљине у минералној мешавини( ŠMM ) Шупљине испуњене битуменом ( ) 4
Запреминска структура асфалтне Шупљине Битумен Š ŠMM Запреминска маса слоја или лабораторијског узорка у збијеном стању SRPS EN 12697-6 (SRPS U.М8.92 повучен) M m М маса асфалтног узорка запремина асфалтног узорка Агрегат A A Максимална запреминска маса SRPS EN 12697-5 (SRPS U.М8.82 повучен) M max P P MM + G GMM М маса асфалтног узорка запремина асфалтног узорка без шупљина P b проценат учешћа битумена у мешавини G b запреминска маса битумена P MM проценат учешћа минералне (P A ) G MM запреминска маса минералне Шупљине у асфалтном узорку Š или у процентима: 1 M m max m 1 M M m m Š % max max ( ) Запремина битумена P G m % ( ) Шупљине у минералном материјалу Запремина шупљина између зрна агрегата у збијеној мешавини шупљине испуњене ваздухом ефективна запремина битумена ( ) + % ŠMM Š 5
Остале карактеристике Шупљине у минералној мешавинииспуњене битуменом I + % ŠMM ŠMM Š ( ) Остале карактеристике Однос пунила и везива P.75 / P b.6-1.2 P.75 садржај зрна <.75 mm у минералној мешавини (% m/m) P b садржај битумена у мешавини (%m/m) Запремина агрегата A % ŠMM ( ) Метода Маршала ruce Marshall (Mississippi Highway Department), 1935-19 1943 WaterwaysExperimental Station Студија за потребе примене у II светском рату Тег од 1 фунти (4,5 kg) удараца Циљ: 4% шупљина након пројектованог саобраћајног оптерећења Метода Маршала Маршалов набијач за припрему узорака Стабилност помоћу Маршалове пресе Оптимални садржај везива на основу анализе запреминске структуре и стабилности Температура мешања и збијања Дијаграм: Вискозност Температура Помоћу вискозности на 135 и 165 о C Распон вискозности За мешање:,15,19 Pa s За збијање:,25,31 Pa s Избор оптималних температура Температуре мешања и збијања Вискозитет, Pa s 1 5 1.5.3.2 Температура збијања Температура мешања.1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 Температура, о C 6
Метода Маршала - поступак Изабрати и испитати минерални материјал За са мање од 1% зрна >25 mm Изабрати и испитати везиво битумен Дефинисати температуре мешања и збијања Дефинисати и припремити узорке за пробне - серије Загрејати и умешати битумен и агрегат Направити (збити) узорке Φ 1 cm(11,6 mm) Стандардна висина узорка 63,5 mm(±1,3 mm) Метода Маршала - поступак SRPS EN емпиријски поступак SRPS U.М8. - повучен 5 серија са различитим садржајем везива Једна серија са прогнозираним оптималним садржајем битумена Две серије са садржајем испод оптималног Две серије са садржајем изнад оптималног Разлика у садржају битумена између серија:,5 % Свака серија најмање три узорка Метода Маршала - Испитивања Висина узорка (на 3 места) Запреминска маса (SRPS EN 12697-6, SRPS U.М8.92-повучен) Стабилност и течење (SRPS EN 12697-34) o C у воденом купатилу( до минута) Степен оптерећивања: mm/min Стабилност максимална сила отпора деформацији, N Течење одговарајућа деформација стандардног узорка, mm Обрачун шупљина(srps EN 12697-8) Шупљине у минералној мешавини ( ŠMM ) Шупљине у асфалтном узорку( Š ) Шупљине испуњене битуменом(i ŠMM ) Дијаграми физичко-механичких својстава асфалтне Стабилност, N Шупљине, % Š,SR OK Запреминска маса I ŠMM, % I ŠMM, SR OK max I ŠMM min I ŠMM Оптималан садржај битумена Просек из 4 вредности: Максимална стабилност Максимална запреминска маса Средња вредност критеријума за шупљине Средња вредност критеријума за шупљине испуњене битуменом Са оптималним процентом битумена мешавина мора задовољити све тражене критеријуме! Дијаграми течења и шупљина у минералној мешавини Горња граница Доња граница Течење, mm OK Доња граница ŠMM, % OK 7
Укоченост и модул укочености Укоченост на о C стабилност U течење Модул укочености стабилност 15, 8 M U течење ( kn mm) ( MPa) Критеријум Метода Маршала Институт за асфалт 1997. год. Збијеност (број удараца на свакој страни) Лак (< 1 4 ESALs) Саобраћај Средњи (1 4-1 6 ESALs) Тежак (>1 6 ESALs) min. max. min. max. min. max. 35 75 Стабилност (kn), min. 2.2 3.3 6.7 Течење (mm) 2 5 2 4.5 2 4 Шупљине (%) 3 5 3 5 3 5 Метода Маршала Предности Узима у обзир запреминску структуру, чврстоћу и трајност Јефтина опрема Једноставан поступак за контролна/текућа испитивања Недостаци Начин збијања узорака није одговарајући Не узима у обзир чврстоћу на смицање Оптерећење делује управно на осу збијања Метода Дуриеза LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussėes), Paris Услов: Гранулометријски састав минералне се уклапа у одређено подручје Претпоставка: Свако зрно минералне је обавијено филмом битумена оптималне дебљине Метода Дуриеза Специфична површина зрна агрегата у минералној мешавини: G- удео зрна већих од 6.3mm S удео зрна између,2и 6.3mm s удео масе зрна између,63и,2mm f удео масе зрна мањих од,63mm(камено брашно) 2 ( ) P,5 G + 2,3 S + 12 s + 1 f m / kg Метода Дуриеза Садржај битумена у односу на минералну мешавину (тзв. спољни садржај ): K α P K модул засићења К3,-4, К3, носећи слојеви од битуменизираног материјала К4, асфалт бетон К4,5 ливени асфалт α 26/G MM корекциони коефицијент с обзиром на запреминску масу минералне 5 8
Метода Дуриеза Запреминско учешће битумена у асфалтној мешавини: (% v/v) + спољни садржај битумена у односу на минералну мешавину (% v/v) Учешће битумена у % масе: Пројектовање SMA мешавина SMA Split Mastix Asphalt (Немачка) Stone Matrix Asphalt(УСА) Дисконтинуална мешавина са израженим каменим скелетом и битуменским малтером богатим везивом Камени скелет омогућава непосредни контакт зрна G P m (% m/m) SMA Асфалт-бетон Врсте SMA мешавина Зависно од националих спецификација Према Немачким спецификацијама: SMA /5 SMA /8 SMA /8s SMA /11s У другим спецификацијама јављају се са номиналним максималним зрном агрегата од 1, 12, 14 или 16 mm Гранулометријски састав поређење АБ 11с и SMA /11S SMA дисконтинуална мешавина Пролазикрозситоу % масе Дијаграм гранулометријског састава минералне ПЕСАК КАМЕНАСИТНЕЖ- ШЉУНАК ситан средњикрупан 1 Остаје наситу у % масе 1 Странаквадратноготвораситау mm (d.45 ) Оквирни састав SMA Илустрација састава на мешавини SMA /11s Дробљена камена ситнеж 4/8 и 8/11 mm % Песак/2 mm % Камено брашно 1 % Битумен или полимер модификован битумен 6 7 % Влакна са циљем да стабилизирају мешавину.3 1.5 % Карактеристике основних материјала Агрегат Високог квалитета Отпоран на дробљење и хабање Кубичаст облик зрна Битумен Обичан битумен Полимер модификовани битумен Влакна Целулозна Целулоза + стакло Минерална(двоструко већи проценат у односу на цел. влакна) Вунена Азбестна 9
Запреминска структура SMA Кључни фактор проценат шупљина у минералном материјалу min. 19 % (Немачка) min. 17 % (САД, Канада) Циљ је да се оствари контакт крупних зрна и да се минерална мешавина отвори како би се могао сместити богати битуменски малтер и остале шупљине испуњене ваздухом од приближно 4 % Одређивање оптималног садржаја везива и влакана Schellenberg метода SRPS EN 12697-18 Одређивање количине везива која се дренира из асфалтне Загревање 1 сат на максималној температури мешања Остатак асфалтног малтера на посуди треба да буде мањи од.3 % Предности SMA мешавина Висока отпорност на трајну деформацију колотраге Боља храпавост (након почетног периода експлатације) Смањење буке Смањење ризика од aquaplaning ефекта Боља видљивост при кишном времену Већа трајност Недостаци SMA мешавина Већи трошкови производње повећан садржај битумена и каменог брашна дуже време мешања мања продуктивност дуже време до пуштања у саобраћај одлагање док температура не падне испод o C храпавост површине непосредно након извођења радова Потребна већа технолошка дисциплина током извођења радова Температура збијања Дебљина слоја 3.5 4 cm(sma /11s) 1