Вопросы оценки температурных условий и применения вяжущих в разных климатических условиях
- Рожков Иван
- 12 марта 2024
Введение
Инновационные подходы и комплексные оценки лежат в основе системы объемно-функционального проектирования в РФ и методологии «Суперпейв» в США.
Напомним, система «Суперпейв» включает в себя комплекс методов испытаний и требований к битумным материалам и асфальтобетонам, принципы их подбора в зависимости от климатических условий и транспортных нагрузок на конкретных участках дорожных покрытий, а также методы их объемного проектирования. Определяемые при испытаниях реологические свойства взаимосвязаны с эксплуатационными характеристиками (performance), в отличие от применявшихся ранее эмпирических показателей (пенетрация, растяжимость и др.), которые описывают поведение материалов лишь косвенно [1]. Суперпейв предъявляет четкие и понятные критерии к дорожным материалам, что позволяет определить, какие из них можно использовать в данном регионе с соответствующими условиями, а у каких существуют высокий риск уже в первые годы эксплуатации приводить к возникновению дефектов и необходимости в ремонте.
Разработка системы «Суперпейв» явилась результатом масштабного исследования SHARP (Федеральной стратегической дорожной исследовательской програм-мы правительства США), начатой с 1987 года. Общий бюджет программы превысил $150 млн. Следует отметить, что предложенный изначально подход продолжает развиваться и претерпевать ряд изменений — например, в рамках Superpave plus. Были предложены дополнительные параметры испытаний, такие как упругое восстановление, невосстановленные деформации ползучести (тест MSCR). Использование MSCR позволяет точнее оценивать, в первую очередь, поведение модифицированных битумных вяжущих, особенно в условиях повышенных транспортных нагрузок [2].
Для России использование комплексного подхода к оценке вяжущих имеет особенную важность в связи с существенными различиями климатических условий разных регионов. Умеренно-континентальный климат в центральной части страны сменяется резко-континентальным в Сибири, субарктическим и арктическим на севере. В соответствии с этим различаются и требования к дорожным битумным материалам.
Для южных регионов эффективны в первую очередь битумные вяжущие, устойчивые к нагрузкам при высоких эксплуатационных температурах, то есть способные выдерживать нагрев в летний период без размягчения — и, следовательно без образования деформационной колеи дорожного покрытия. Для регионов с резко-континентальным климатом нужны продукты с широким интервалом работоспособности, а в северных районах они должны выдерживать суровые низкотемпературные условия эксплуатации без образования трещин, то есть сохранять пластичность в зимний период. В зависимости от транспортных нагрузок и других условий (прочности и кислотности каменных материалов и т. д.) к битумным продуктам могут предъявляться дополнительные требования по деформационной и усталостной устойчивости, водостойкости, прочности сцепления с минеральными материалами и др.
Внедрение стандартов по системе суперпейв в РФ
В России систему объемно-функционального проектирования (разработанную с учетом принципов Суперпейва) начали внедрять с 2016 года в формате предварительных национальных стандартов (ПНСТ 71 — ПНСТ 129). В их числе 11 стандартов (ПНСТ 79 — ПНСТ 89) регламентируют показатели качества битумных вяжущих и методы их испытания. Указанные предстандарты были введены для апробации сроком на 3 года, после чего с 1 июля 2019 года заменены на соответствующие стандарты группы ГОСТ Р 58400. Первый опытный уча- сток, запроектированный специалистами «НИИ ТСК» по методологии «Суперпейв», был уложен в РФ в 2014 году компанией «ВАД» [4]. В настоящее время асфальтобетон, запроектированный по данной системе, широко применяется во многих регионах нашей страны, не только на федеральных дорогах, но и на региональных.
Технические требования к битумным вяжущим с учетом температурного диапазона эксплуатации представ- лены в ГОСТ 58400.1-2019 (ПНСТ 85) (этот стандарт учитывает положения американского стандарта AASHTO M320). А ГОСТ Р 58400.2 (ПНСТ 82) содержит классификацию с учетом уровня транспортных нагрузок (учитывает положения AASHTO MP332). В соответствии с ГОСТ 58400.1-2019 марка битумного вяжущего (performance grade, PG) определяется допустимым температурным диапазоном ее эксплуатации, соответствующим расчетным температурам дорожного покрытия (скорректированной максимальной и минимальной) для выбранного района строительства. При этом верхняя граница соответствует максимальной температуре, при которой материал продолжает обеспечивать прочностные характеристики — сдвиговую устойчивость для исходного продукта ≥ 1,00 кПа, для состаренного ≥ 2,20 кПа. Нижняя граница определяется по усталостной устойчивости и низкотемпературной устойчивости (минимальной температуре, при которой вяжущее еще удовлетворяет требованиям по жесткости (S ≤ 300 МПа) и ползучести (параметру m ≥ 0,300), или же по температуре растрескивания на приборе ABCD.
Методика расчета температурных условий эксплуатации конструктивных слоев представлена в ГОСТ Р 58400.3-2019 (ПНСТ 86) «Порядок определения марки» [5] и ПНСТ 397-2020 «Метод определения условий эксплуатации конструкционных слоев дорожных одежд» [6]. В их основе лежат исследования статистических данных мониторинга максимальных и минимальных суточных температур слоев дорожного покрытия.
Но прогнозирование климатических условий эксплуатации и оценка нагрузок от транспортных средств, то есть условий, при которых будет эксплуатироваться вяжущее в составе асфальтобетонного слоя, требует многоступенчатого ряда дополнительных действий, которые затруднительны без привлечения высококвалифицированных специалистов. Например, это сбор и обработка исходных климатических данных, расчеты с применением сложных формул и алгоритмов, а также обязательные аналитические выводы при назначении марок битумных с учетом полученных результатов.
Практический опыт показал, что при выполнении назначения марок нередко недостаточная квалификация оператора приводит к ошибкам при расчетах. Таким образом, есть потребность в системе прогнозирования условий эксплуатации и выборе марок битумных вяжущих, которая основывалась бы на готовых табличных значениях и требовала бы минимума расчетов пользователем, либо совсем освобождала бы его от самостоятельных расчетов и анализа результатов, в том числе, за счет использования программных алгоритмов. Это позволило бы снизить вероятность ошибок, вызванных «человеческим фактором».
Введенный в 2020 году ПНСТ 397 уже получил широкое применение и показывает свою состоятельность. Но при этом данный стандарт предусматривает назначение битумных вяжущих, классифицированных только по ГОСТ Р 58400.1. Хотя применение ПНСТ не обходится без проведения оператором самостоятельных расчетов, но они осуществляются в сокращенном варианте, по сравнению с методикой в ГОСТ Р 58400.3. Есть необходимость в расширении перечня готовых расчетных параметров в справочнике (приложении к ПНСТ 397), причем желательно в таком объеме, чтобы стало возможным определение допустимых к применению марок битумных вяжущих без проведения оператором расчетов, в частности для типовых конструктивных слоев (ВСП, НСП и ВСО).
На сегодняшний день уже началась разработка ГОСТ Р, который заменит ПНСТ 397. Необходимость этого вызвана сроком плановой замены ПНСТ (в связи с прекращением действия в 2023 году), а также актуализацией, совершенствованием и расширением возможностей данного стандарта. Кроме того, требуется провести научные исследования, направленные на оценку эффективности принятой методики определения расчетных температур конструктивных слоев дорожных одежд с учетом практического опыта ее использования в нашей стране, а также новых лучших практик, полученных в США. Нужно провести уточнение и оптимизацию методов измерений с последующей систематизацией получения климатических данных. Актуализированные в рамках разработки ГОСТ Р методики определения расчетных температур позволят при проектировании асфальтобетонной смеси с большей точностью определять допустимые к применению марки битумных вяжущих.
Опыт расчетов температурных параметров в США
В США для автоматизированного прогнозирования температурных условий эксплуатации асфальтобетон-ных слоев и назначения допустимых к применению ма- рок вяжущих разработаны программы серии LTPPBind (Long-Term Pavement Performance Bind) [7]. Основными в линейке развития являются программы LTPPBind 2.1, LTPPBind 3.0, LTPPBind 3.1 и LTPPBind Online. Важ- но, что главной областью применения программ серии LTPPBind является дорожное строительство.
Программное обеспечение позволяет пользователям выбрать наиболее подходящее и экономически эффективное битумное вяжущее для района строительства. Программа LTPPBind включает базу исходных статистических данных по предельным значениям температур воздуха (минимальные, максимальные, стандартные отклонения и количество лет) с метеостанций Северной Америки. ПО содержит базу данных, включающую в себя 5313 метеостанций в США и 1515 метеостанций в Канаде.
Программы LTPPBind предоставляют операторам возможность:
В ходе эволюции LTPPBind была разработана программа LTPPBind 3 (серии 3.0 и 3.1), которая предоставила следующие преимущества:
На данный момент в США и Канаде актуальной версией программы для автоматизированного определения температурных условий эксплуатации асфальтобетонных слоев является LTPPBind Online, последнее обновление который вышло в сентябре 2018 года. В ней используются климатические данные архива MERRA-2, сайты LTPP или вводимые пользователем вручную данные. Данные MERRA-2 представляют собой обновленный в 2016 году актуальный архив данных НАСА.
Методики расчетов температурных параметров в РФ
В настоящее время в РФ дорожниками применяются два основных документа, в которых представлены климатические параметры на основе данных с метеостанций. Это ПНСТ 397 и СП 131.13330.2020. В СП 131.13330.2020 основные климатические температурные данные представлены средними месячными и годовыми параметрами, при этом документ практически не содержит экстремальных параметров (абсолютные годовые и ежедневные максимумы и минимумы). При этом в ПНСТ 397 приведены расчетные параметры с учетом именно суточных и годовых предельных значений температур. Такие же принципы используются в программе LTPPBind Online.
Главные риски дефектов и нежелательных деформаций асфальтобетона при эксплуатации возникают имен- но при достижении предельных температур. Это связано в основном с тем, что свойства битумных вяжущих сильно зависят от температуры. В этой связи возникает необходимость прогнозирования именно предельных температурных условий работы асфальтобетона при эксплуатации, а также обеспечение вяжущими необходимых характеристик в соответствующих диапазонах. Таким образом, прогнозирование предельных температурных состояний асфальтобетонных слоев наиболее эффективно при учете предельных климатических данных, а использование средних значений температур не дают возможности корректного прогнозирования изменения их свойств в процессе эксплуатации.
Для повышения точности оценки эксплуатационных характеристик вяжущих наиболее подходит прогнозирование предельных температур асфальтобетонных слоев на время их эксплуатации, срок которой на сегодня в основном ограничен периодом 24 года. При этом, например, корректное прогнозирование ежегодных предельных температур только по абсолютной температуре за длительный срок наблюдений (например, в СП 131.13330.2020 это 52 года) затруднительно. Поэтому климатические данные, представленные в СП, не подходят для корректной оценки температурных условий эксплуатации конструктивных слоев дорожных одежд из асфальтобетона.
Самым прогрессивным на сегодняшний день является подход к оценке температурных условий эксплуатации слоев, который основан на данных о ежедневных и ежегодных экстремальных температурах воздуха, а так-же на оценке возможных отклонений этих температур в течение срока эксплуатации конструктивного слоя.
Метод определения температурных условий эксплуатации слоев с учетом данных о ежедневных и ежегодных экстремальных температурах воздуха, а также оценки возможных отклонений этих температур в течение срока эксплуатации вяжущих, представлен в ГОСТ Р 58400.3.
Инновационные подходы и комплексные оценки лежат в основе системы объемно-функционального проектирования в РФ и методологии «Суперпейв» в США.
Напомним, система «Суперпейв» включает в себя комплекс методов испытаний и требований к битумным материалам и асфальтобетонам, принципы их подбора в зависимости от климатических условий и транспортных нагрузок на конкретных участках дорожных покрытий, а также методы их объемного проектирования. Определяемые при испытаниях реологические свойства взаимосвязаны с эксплуатационными характеристиками (performance), в отличие от применявшихся ранее эмпирических показателей (пенетрация, растяжимость и др.), которые описывают поведение материалов лишь косвенно [1]. Суперпейв предъявляет четкие и понятные критерии к дорожным материалам, что позволяет определить, какие из них можно использовать в данном регионе с соответствующими условиями, а у каких существуют высокий риск уже в первые годы эксплуатации приводить к возникновению дефектов и необходимости в ремонте.
Разработка системы «Суперпейв» явилась результатом масштабного исследования SHARP (Федеральной стратегической дорожной исследовательской програм-мы правительства США), начатой с 1987 года. Общий бюджет программы превысил $150 млн. Следует отметить, что предложенный изначально подход продолжает развиваться и претерпевать ряд изменений — например, в рамках Superpave plus. Были предложены дополнительные параметры испытаний, такие как упругое восстановление, невосстановленные деформации ползучести (тест MSCR). Использование MSCR позволяет точнее оценивать, в первую очередь, поведение модифицированных битумных вяжущих, особенно в условиях повышенных транспортных нагрузок [2].
Для России использование комплексного подхода к оценке вяжущих имеет особенную важность в связи с существенными различиями климатических условий разных регионов. Умеренно-континентальный климат в центральной части страны сменяется резко-континентальным в Сибири, субарктическим и арктическим на севере. В соответствии с этим различаются и требования к дорожным битумным материалам.
Для южных регионов эффективны в первую очередь битумные вяжущие, устойчивые к нагрузкам при высоких эксплуатационных температурах, то есть способные выдерживать нагрев в летний период без размягчения — и, следовательно без образования деформационной колеи дорожного покрытия. Для регионов с резко-континентальным климатом нужны продукты с широким интервалом работоспособности, а в северных районах они должны выдерживать суровые низкотемпературные условия эксплуатации без образования трещин, то есть сохранять пластичность в зимний период. В зависимости от транспортных нагрузок и других условий (прочности и кислотности каменных материалов и т. д.) к битумным продуктам могут предъявляться дополнительные требования по деформационной и усталостной устойчивости, водостойкости, прочности сцепления с минеральными материалами и др.
Внедрение стандартов по системе суперпейв в РФ
В России систему объемно-функционального проектирования (разработанную с учетом принципов Суперпейва) начали внедрять с 2016 года в формате предварительных национальных стандартов (ПНСТ 71 — ПНСТ 129). В их числе 11 стандартов (ПНСТ 79 — ПНСТ 89) регламентируют показатели качества битумных вяжущих и методы их испытания. Указанные предстандарты были введены для апробации сроком на 3 года, после чего с 1 июля 2019 года заменены на соответствующие стандарты группы ГОСТ Р 58400. Первый опытный уча- сток, запроектированный специалистами «НИИ ТСК» по методологии «Суперпейв», был уложен в РФ в 2014 году компанией «ВАД» [4]. В настоящее время асфальтобетон, запроектированный по данной системе, широко применяется во многих регионах нашей страны, не только на федеральных дорогах, но и на региональных.
Технические требования к битумным вяжущим с учетом температурного диапазона эксплуатации представ- лены в ГОСТ 58400.1-2019 (ПНСТ 85) (этот стандарт учитывает положения американского стандарта AASHTO M320). А ГОСТ Р 58400.2 (ПНСТ 82) содержит классификацию с учетом уровня транспортных нагрузок (учитывает положения AASHTO MP332). В соответствии с ГОСТ 58400.1-2019 марка битумного вяжущего (performance grade, PG) определяется допустимым температурным диапазоном ее эксплуатации, соответствующим расчетным температурам дорожного покрытия (скорректированной максимальной и минимальной) для выбранного района строительства. При этом верхняя граница соответствует максимальной температуре, при которой материал продолжает обеспечивать прочностные характеристики — сдвиговую устойчивость для исходного продукта ≥ 1,00 кПа, для состаренного ≥ 2,20 кПа. Нижняя граница определяется по усталостной устойчивости и низкотемпературной устойчивости (минимальной температуре, при которой вяжущее еще удовлетворяет требованиям по жесткости (S ≤ 300 МПа) и ползучести (параметру m ≥ 0,300), или же по температуре растрескивания на приборе ABCD.
Методика расчета температурных условий эксплуатации конструктивных слоев представлена в ГОСТ Р 58400.3-2019 (ПНСТ 86) «Порядок определения марки» [5] и ПНСТ 397-2020 «Метод определения условий эксплуатации конструкционных слоев дорожных одежд» [6]. В их основе лежат исследования статистических данных мониторинга максимальных и минимальных суточных температур слоев дорожного покрытия.
Но прогнозирование климатических условий эксплуатации и оценка нагрузок от транспортных средств, то есть условий, при которых будет эксплуатироваться вяжущее в составе асфальтобетонного слоя, требует многоступенчатого ряда дополнительных действий, которые затруднительны без привлечения высококвалифицированных специалистов. Например, это сбор и обработка исходных климатических данных, расчеты с применением сложных формул и алгоритмов, а также обязательные аналитические выводы при назначении марок битумных с учетом полученных результатов.
Практический опыт показал, что при выполнении назначения марок нередко недостаточная квалификация оператора приводит к ошибкам при расчетах. Таким образом, есть потребность в системе прогнозирования условий эксплуатации и выборе марок битумных вяжущих, которая основывалась бы на готовых табличных значениях и требовала бы минимума расчетов пользователем, либо совсем освобождала бы его от самостоятельных расчетов и анализа результатов, в том числе, за счет использования программных алгоритмов. Это позволило бы снизить вероятность ошибок, вызванных «человеческим фактором».
Введенный в 2020 году ПНСТ 397 уже получил широкое применение и показывает свою состоятельность. Но при этом данный стандарт предусматривает назначение битумных вяжущих, классифицированных только по ГОСТ Р 58400.1. Хотя применение ПНСТ не обходится без проведения оператором самостоятельных расчетов, но они осуществляются в сокращенном варианте, по сравнению с методикой в ГОСТ Р 58400.3. Есть необходимость в расширении перечня готовых расчетных параметров в справочнике (приложении к ПНСТ 397), причем желательно в таком объеме, чтобы стало возможным определение допустимых к применению марок битумных вяжущих без проведения оператором расчетов, в частности для типовых конструктивных слоев (ВСП, НСП и ВСО).
На сегодняшний день уже началась разработка ГОСТ Р, который заменит ПНСТ 397. Необходимость этого вызвана сроком плановой замены ПНСТ (в связи с прекращением действия в 2023 году), а также актуализацией, совершенствованием и расширением возможностей данного стандарта. Кроме того, требуется провести научные исследования, направленные на оценку эффективности принятой методики определения расчетных температур конструктивных слоев дорожных одежд с учетом практического опыта ее использования в нашей стране, а также новых лучших практик, полученных в США. Нужно провести уточнение и оптимизацию методов измерений с последующей систематизацией получения климатических данных. Актуализированные в рамках разработки ГОСТ Р методики определения расчетных температур позволят при проектировании асфальтобетонной смеси с большей точностью определять допустимые к применению марки битумных вяжущих.
Опыт расчетов температурных параметров в США
В США для автоматизированного прогнозирования температурных условий эксплуатации асфальтобетон-ных слоев и назначения допустимых к применению ма- рок вяжущих разработаны программы серии LTPPBind (Long-Term Pavement Performance Bind) [7]. Основными в линейке развития являются программы LTPPBind 2.1, LTPPBind 3.0, LTPPBind 3.1 и LTPPBind Online. Важ- но, что главной областью применения программ серии LTPPBind является дорожное строительство.
Программное обеспечение позволяет пользователям выбрать наиболее подходящее и экономически эффективное битумное вяжущее для района строительства. Программа LTPPBind включает базу исходных статистических данных по предельным значениям температур воздуха (минимальные, максимальные, стандартные отклонения и количество лет) с метеостанций Северной Америки. ПО содержит базу данных, включающую в себя 5313 метеостанций в США и 1515 метеостанций в Канаде.
Программы LTPPBind предоставляют операторам возможность:
- назначать битумные вяжущие с учетом фактических температурных условий применения и установленного уровня риска;
- использовать доработанные температурные модели LTPP для определения допустимых к применению битумных вяжущих;
- учитывать при назначении битумных вяжущих разные уровни нагрузки и скорость движения автотранспорта.
В ходе эволюции LTPPBind была разработана программа LTPPBind 3 (серии 3.0 и 3.1), которая предоставила следующие преимущества:
- возможность выбора высокотемпературных характеристик на основе учета предельных деформаций;
- методику назначения битумных вяжущих с учетом предельной колейности;
- методику для оценки высокотемпературных параметров с учетом ежедневных климатических факторов;
- усовершенствованный алгоритм взаимосвязи высоких температур воздуха и температуры дорожного покрытия путем комплексного применения интегрированной климатической модели (ICM); модель была разработана с использованием почасовых климатических данных, что дает более точное представление о высокотемпературных условиях эксплуатации слоев дорожных одежд;
- процедуру прогнозирования колеи, основанную на эмпирических моделях;
- алгоритмы расчетов на основе применения Degree- Days; возможность выбора предельно допустимого уровня колеи;
- усовершенствованную систему корректировок на основе моделей повышенного трафика и различной скорости движения потока.
На данный момент в США и Канаде актуальной версией программы для автоматизированного определения температурных условий эксплуатации асфальтобетонных слоев является LTPPBind Online, последнее обновление который вышло в сентябре 2018 года. В ней используются климатические данные архива MERRA-2, сайты LTPP или вводимые пользователем вручную данные. Данные MERRA-2 представляют собой обновленный в 2016 году актуальный архив данных НАСА.
Методики расчетов температурных параметров в РФ
В настоящее время в РФ дорожниками применяются два основных документа, в которых представлены климатические параметры на основе данных с метеостанций. Это ПНСТ 397 и СП 131.13330.2020. В СП 131.13330.2020 основные климатические температурные данные представлены средними месячными и годовыми параметрами, при этом документ практически не содержит экстремальных параметров (абсолютные годовые и ежедневные максимумы и минимумы). При этом в ПНСТ 397 приведены расчетные параметры с учетом именно суточных и годовых предельных значений температур. Такие же принципы используются в программе LTPPBind Online.
Главные риски дефектов и нежелательных деформаций асфальтобетона при эксплуатации возникают имен- но при достижении предельных температур. Это связано в основном с тем, что свойства битумных вяжущих сильно зависят от температуры. В этой связи возникает необходимость прогнозирования именно предельных температурных условий работы асфальтобетона при эксплуатации, а также обеспечение вяжущими необходимых характеристик в соответствующих диапазонах. Таким образом, прогнозирование предельных температурных состояний асфальтобетонных слоев наиболее эффективно при учете предельных климатических данных, а использование средних значений температур не дают возможности корректного прогнозирования изменения их свойств в процессе эксплуатации.
Для повышения точности оценки эксплуатационных характеристик вяжущих наиболее подходит прогнозирование предельных температур асфальтобетонных слоев на время их эксплуатации, срок которой на сегодня в основном ограничен периодом 24 года. При этом, например, корректное прогнозирование ежегодных предельных температур только по абсолютной температуре за длительный срок наблюдений (например, в СП 131.13330.2020 это 52 года) затруднительно. Поэтому климатические данные, представленные в СП, не подходят для корректной оценки температурных условий эксплуатации конструктивных слоев дорожных одежд из асфальтобетона.
Самым прогрессивным на сегодняшний день является подход к оценке температурных условий эксплуатации слоев, который основан на данных о ежедневных и ежегодных экстремальных температурах воздуха, а так-же на оценке возможных отклонений этих температур в течение срока эксплуатации конструктивного слоя.
Метод определения температурных условий эксплуатации слоев с учетом данных о ежедневных и ежегодных экстремальных температурах воздуха, а также оценки возможных отклонений этих температур в течение срока эксплуатации вяжущих, представлен в ГОСТ Р 58400.3.