Рассказываем о перспективных направлениях исследований в области асфальтобетонных смесей
На сегодня межремонтные сроки эксплуатации автомобильных дорог федерального значения с усовершенствованным типом покрытия увеличены до 12 лет, по капитальному ремонту – до 24 лет. Период немаленький, поэтому при строительстве и ремонте трасс особое внимание уделяется качеству работ и материалов. В частности, для этой цели применяется научный подход: проводятся исследования, направленные на обеспечение долговечности и увеличение межремонтных сроков дорожных одежд. В рамках конференции «Асфальтобетон 2025», которая прошла в феврале в Санкт-Петербурге, специалисты рассказали, какая научная работа проводится в части асфальтобетонных смесей. Подробнее – в материале «ДорИнфо».
Исследования Росавтодора
Начальник Управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Федерального дорожного агентства (Росавтодор) Сергей Гошовец рассказал о перспективных направлениях исследований в области асфальтобетонных смесей. Одно из таких направлений, работу по которому ведомство продолжит в ближайшие годы, - исследования, ориентированные на обеспечение долговечности и увеличение межремонтных сроков дорожных одежд.
По его словам, в 2022-2023 годах на федеральных трассах во второй, третьей и четвертой климатических зонах были установлены мониторинговые станции. Данные, полученные с этих станций, учтены в вышедшем в 2024 году ГОСТе на проектирование нежестких дорожных одежд. В планах Росавтодора на ближайшие годы – развивать сеть мониторинговых станций, распространять ее на дороги третьей и четвертой категорий, где обочины не защищены асфальтобетоном. Спикер отметил, что для анализа будут выбирать участки трасс со сложными гидрологическими условиями, чтобы получить весь спектр научной информации для совершенствования методик.
Кроме того, продолжится начатая в 2021 году работа по созданию станций мониторинга в зоне вечной мерзлоты. На сегодняшний день в этой области отсутствуют нормативные документы, поэтому задача на ближайшую перспективу – разработать соответствующие нормативы. По словам Сергея Гошовца, для этого уже создана система мониторинга, разработан отраслевой методический документ, который будет предъявлять требования к станциям.
Сегодня на федеральных трассах в зоне вечной мерзлоты действует семь постов мониторинга с двумя комплексами – метеонаблюдение и геокриологические наблюдения (скважины, водно-тепловой режим, температура, контроль за вечной мерзлотой). В планах – установить станции, которые будут выполнять мониторинг напряженно-деформированного состояния нежестких дорожных одежд. Полный спектр исследований позволит получить новые данные об изменениях асфальтобетонных слоев, что в будущем позволит улучшить методики проектирования нежестких дорожных одежд.
«Мы запустим исследования, итогом которых станет документ (стандарт) по проектированию автомобильных дорог в криолитозоне. Кроме того, выпустим отраслевой методический документ по теплотехническому расчету дорожных конструкций. Еще один знаковый отраслевой документ, который нужно разработать – требования к организации проведения научно-технического сопровождения. Мы сейчас для себя определили «узкие места» внедрения новых технологий и материалов, и одним из таких «узких мест» является привлечение науки на реальные объекты, где это требуется, где необходимо дать оценку, сопроводить внедрение новых конструкций, технологий. Для этого нужен стандарт, чтобы можно было эти работы защитить в Главгосэкспертизе»
По его словам, в исследовательскую работу в области асфальтобетонов вовлечены специалисты ФАУ «РОСДОРНИИ», совместно с которыми в 2024 году была определена трехлетняя программа работ: она направлена на получение новых исследовательских данных, включающих в себя характеристики исследуемых материалов, информацию о напряженно-деформированном состоянии в конструктивных слоях дорожных одежд, а также мониторинг изменения несущей способности в период выполнения ускоренных испытаний с использованием симулятора колесной нагрузки СКН «ЦИКЛОС».
Первый этап мероприятий в рамках данной программы выполнили в 2024 году. Специалисты отработали метод ускоренных испытаний, разработали комплекс стандартов организации в части методологического обеспечения, регулирующего отдельные технологические мероприятия при проведении ускоренных испытаний (4 СТО), разработали проект ПНСТ «Метод ускоренных испытаний дорожных одежд. Общие требования», выполнили устройство конструктивных слоев контрольной дорожной одежды с заложением измерительных датчиков. Сейчас продолжается работа по оценке напряженно-деформированного состояния статическими и динамическими методами дорожных одежд на полигоне.
В рамках второго этапа в 2025-2026 годах планируют провести анализ эксплуатационных свойств исследуемых дорожных одежд с применением в слоях основания различных каменных и шлаковых материалов и сравнение с контрольной конструкцией при выполнении серии ускоренных испытаний в рамках годовых циклов. Кроме того, впервые будет осуществлена детальная оценка работоспособности разнопрочных равнотолщинных дорожных одежд посредством ускоренных испытаний, имеющих конструктивное решение, свойственное для региональных автодорог третьей и четвертой категорий.
«С этого года мы уже запустим экспериментальный этап работ, когда начнем ускоренное испытание конструкций дорожных одежд. Это тоже существенное подспорье для получения научных данных, потому что с помощью этого инструмента мы в ускоренном режиме позволим испытывать конструкции дорожной одежды, получать данные о работоспособности и эффективности тех или иных материалов в этой конструкции»
В 2024 году ряд стандартов на асфальтобетоны и асфальтобетонные смеси утратил свою силу. На смену старым документам ГОСТ 31015-2002, ГОСТ 9128-2009 и ГОСТ 9128-2013 пришли новые: ГОСТ Р 54401-2020, ГОСТ Р 58401.1-2019, ГОСТ Р 58401.2-2019, ГОСТ Р 58406.1-2020, ГОСТ Р 58406.2-2020, ГОСТ Р 58422.1-2021, ГОСТ Р 701971.1-2022, ГОСТ Р 70648-2023, ГОСТ Р 70396-2022 и ГОСТ Р 70397-2022. По словам Сергея Гошовца, переход на новые нормативы был непростым, поскольку часть дорожного сообщества выступала против новых ГОСТов по той причине, что отрасль не готова к новым документам, что могут возникнуть сложности в лабораторных испытаниях.
«В 2024 году было проведено анкетирование, в котором приняли участие 30 ФКУ и 81 субъект РФ. ФАУ «РОСДОРНИИ» обработало 593 анкеты. Информация была собрана от более 1100 асфальтобетонных заводов. Такой объем информации нам позволяет как раз утверждать, что отрасль готова и умеет работать по новым стандартам»
Исследования нежестких дорожных одежд при помощи станций мониторинга напряженно-деформированного состояния
Генеральный директор АНО «НИИ ТСК» Евгений Симчук подробнее рассказал о приоритетных направлениях исследований в части совершенствования нормативных требований в области расчета нежестких дорожных одежд и контроля асфальтобетонных покрытий. По его словам, в настоящий момент проводится самая масштабная за последние десятки лет работа в области научных исследований. В частности, активно изучается напряженно-деформированное состояние (НДС) дорожных одежд: как они ведут себя в процессе эксплуатации, что с ними происходит при различных нагрузках и при разных климатических особенностях.
В России действует три станции мониторинга НДС в трех дорожно-климатических зонах (ДКЗ):
-
с октября 2022 года в третьей ДКЗ работает станция на трассе М-5 «Урал» в Рязанской области (с 286-го по 297-й км);
-
с мая 2024 года – в четвертой ДКЗ на 0-м км дороги А-135 «Подъездная дорога к Ростову-на-Дону от М-4 «Дон» в Ростовской области (с 0-го по 6-й км);
-
с октября 2024 года – во второй ДКЗ на трассе М-9 «Балтия» в Тверской области (с 180-го по 220-й км).
Измерения проводятся известными методами – это статические и динамические штамповые испытания, а также их различные верификации.
«Со статикой более сложный момент, потому что штамп жесткий. Мы сейчас рассматриваем такую возможность: в штампе прокладывать резиновую подкладку, чтобы уменьшить влияние боковин, которые дают жесткость и немного искажают результаты по сравнению с реальными шинами. Поэтому будем еще тестировать, но в целом уже получены определенные корреляционные коэффициенты, которые позволяют вести от одной к другой нагрузке»
На сегодняшний день специалисты уже сделали некоторые выводы. Во-первых, установлено, что статическое нагружение при аналогичных параметрах отпечатка колеса и давления оказывает более высокое влияние на напряженно-деформированное состояние, чем динамическое. Это подтверждает правильность подхода в назначении марок битумного вяжущего для асфальтобетонов в соответствии с ГОСТ Р 71009-2023 и требует учета при проектировании нежестких дорожных одежд.
«Мы все понимаем, что когда автомобиль быстро проезжает, то напряжения возникает меньше, чем, когда он стоит или едет медленно. У нас на сегодняшний момент этот принцип реализован при выборе битумных вяжущих материалов в ГОСТе Р 71009 – исходят от того, какая группа напряженности, в каком конструктивном слое он будет работать, но самое важное – какое условие движения: быстрый, медленный или стоячий трафик. И мы считаем, что этот принцип должен быть реализован при конструировании и расчете дорожных одежд. На подъезде к крупным городам, где нет никаких высоких скоростей, должны быть самые капитальные дороги. Там, где проезжают с высокой скоростью, сильной нагрузки нет, соответственно, можно уменьшить капитальность дорожной одежды»
Также в ходе испытаний выявлено, что при повышении температуры асфальтобетона значительно возрастают напряжения в нижних слоях и деформации растяжения в асфальтобетоне, при этом понижается общий модуль упругости конструкции. К примеру, при повышении температуры с 9,6°С до 35,5°С на дороге М-5 «Урал» в Рязанской области общий модуль упругости снизился в 2,8 раза при статическом и в 2 раза при динамическом нагружении. При повышении температуры с 12°С до 51,5 °С на дороге A-135 в Ростовской области общий модуль упругости снизился в 4,1 раза при статическом и в 2,4 раза при динамическом нагружении. По словам спикера, это говорит о том, что самые худшие условия работы дорожной одежды не весной и осенью, а летом: именно в этот период конструкция дорожной одежды ослаблена – самые высокие напряжения доходят до всех слоев дорожной одежды и ниже. Летом накапливаются первые серьезные деструктивные видоизменения в конструкциях дорожной одежды. Кроме того, именно в летний сезон была выявлена наименьшая несущая способность при наибольшей температуре слоев асфальтобетона.
Еще один вывод: влажность, которая возникает при атмосферных осадках, оказывает на прочность асфальтобетона меньшее влияние, чем температура слоев асфальтобетона. А наличие монолитного слоя в конструкции существенно снижает напряжение на нижележащие слои дорожной одежды.
«Расчетные температуры асфальтобетона при расчетах по критериям упругого прогиба и сдвига в грунте требуют пересмотра в сторону увеличения. Распределение температур в слоях не однородно, разница составляет до 15 °С, что следует учитывать при выполнении расчетов. Причем еще очень важный момент: мы должны изменить методику расчета – приводить не к единому модулю упругости асфальтобетона, а дифференцировать его по слоям, потому что разница по слоям, к примеру, на станции мониторинга в Рязанской области – 15 градусов. Соответственно, надо закладывать разный модуль упругости, а отсюда и капитальность будет меняться. В дальнейшем, когда будем совершенствовать методику расчета дорожных одежд, мы должны применить дифференцированный подход, то есть менять модуль упругости в зависимости от того, в каком слое он работает, и в каком ДКЗ»
По словам спикера, основываясь на теорию упругости, разработана программа по определению параметров напряженно-деформированного состояния при расчете многослойных дорожных конструкций – пока она используется в тестовом режиме. При помощи программы можно высчитать, какие напряжения и деформации могут/должны возникать при расчете дорожной одежды как целого комплекса слоев. Сейчас ведется активная работа по усовершенствованию программы, однако использование ее в тестовом режиме уже позволило специалистам сделать определенные выводы. Во-первых, фактические вертикальные напряжения в конструкции дорожной одежды в большинстве случаев превышают расчетные, в связи с этим в будущем требуется введение эмпирических коэффициентов в расчетную модель. Во-вторых, фактические деформации растяжения слоев асфальтобетона в большинстве случаев близки к теоретическим. И, наконец, третье – фактические общие модули упругости выше расчетных, поэтому требуется доработка программного комплекса в части ограничения сжимаемой зоны.
«Основная задача – получить расчет дорожных одежд как многослойной конструкции, который фактически будет отвечать тому, что сейчас существует в реальных конструкциях. Чтобы то, что рассчитали, было близко к действительности»
В ближайшие годы исследовательская работа в области асфальтобетона будет продолжена. В планах – установить станцию мониторинга на дорогах III-IV категории с невысокой капитальностью, а также на дорогах со сложными грунтово-гидрологическими условиями. Это даст большую информацию о возникновении напряженно-деформированного состояния.
«Важный момент: при помощи станций мониторинга мы [пришли] к выводу, что влажность грунта мало влияет на конечный результат по расчету. Но у нас есть еще второй и третий тип увлажнения, когда дорога может стоять в воде – и там ситуация явно другая. В такой ситуации увлажнение грунта будет определяющим фактором. Но у нас пока такой станции нет – ее нужно строить. Тогда у нас появится больше информации: когда мы будем делать новую систему расчета дорожных одежд, то будем оперировать на реальные значения. У нас дорог третьей и четвертой категории гораздо больше, чем дорог первой и второй категории. И их не учитывать – неправильно. Или сделать документ только для дорог высокой категории, а остальные оставить, как были, - тоже нехорошо. Поэтому такие станции нам нужны»
Еще одно направление исследований связано с алгоритмом расчета требуемого модуля упругости. Спикер отметил, что старый алгоритм хорошо работает только при интенсивности до 10 млн нагружений, при этом реальная интенсивность на дорогах сегодня достигает 30, 40 и даже 70 млн нагружений.
«Мы специально провели расчет, увеличив нагружение в пять раз – с 10 до 50 млн, и в таком случае толщина асфальтобетона увеличилась всего на 3 см. И мы понимаем, что данная формула не учитывает многократные нагрузки, поэтому исследования в этой области необходимо провести с использованием современной измерительной системы. Это нужно, чтобы формула производила правильные расчеты, исходя из того, что у нас напряжение гораздо выше, и мы за 24 года не должны ремонтировать дорогу капитально. А если мы изначально неправильно заложим эти данные, то у нас конструкция получится недостаточной, которая 24 года никак не простоит»
Кроме того, намечены планы по исследованию конструкций дорожных одежд в зоне многолетних мерзлых грунтов, поскольку сегодня от представителей дорожного сообщества, в частности, от проектных компаний, поступают вопросы: как проектировать автодороги, которые будут строиться в зоне вечных мерзлых грунтов, как рассчитывать их нагрузки? Потому что существующие нормативные документы, в том числе ГОСТ Р 71404-2024 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования», на первую ДКЗ не распространяются. Сегодня в этой области существует только один документ – СП 313.1325800.2017 «Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования и строительства», но он морально устарел и требует пересмотра.
«В связи с этим в перспективе в зоне вечной мерзлоты тоже надо установить станцию мониторинга – такую задачу мы уже несколько лет ставим, и вроде есть понимание, одобрение, но пока мы не особо в этом плане продвинулись. Поэтому без изменения и оценки дать решение, как проектировать дорожные одежды в зоне многолетних мерзлых грунтов не представляется возможным, потому что на себя брать такую ответственность мы не готовы»
Изменение физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона эксплуатации
Последнее время у проверяющих органов возникает все больше вопросов, касающихся изменения характеристик асфальтобетона в процессе эксплуатации, а также появляются вопросы по срокам отбора кернов после устройства покрытия – в какой конкретно период их нужно отбирать. Заместитель генерального директора АНО «НИИ ТСК» Кирилл Жданов рассказал, как эту ситуацию регламентировали старые документы. Так, в СНиП 3.06.03 указано, что вырубки или керны в слоях из горячих асфальтобетонов следует отбирать через 1-3 суток после их уплотнения, а из холодных – через 15-30 суток.
«Получается, что конечного срока отбора нет, то есть можно приехать и через полгода-год, даже через пять лет и выполнить отбор кернов для определения коэффициента уплотнения и водонасыщения. Это два основных показателя, которые у нас были определены для приемки асфальтобетонных покрытий. А дальше смотрим ГОСТ 12801, в котором также указано, что в принципе при желании заказчика можно определять еще и прочностные характеристики на кернах. То есть отбираем керны, увеличиваем их объем, потом их переформовываем, происходит дробление каменного материала и определяем основные прочностные характеристики. Кроме того, ГОСТ 128021 допускал определение зернового состава на отобранных кернах, что в принципе сейчас в современных нормативных документах запрещено, потому что эти опильные зерна будут влиять на качество определения зернового состава и давать совершенно не тот результат, который был у нас при отборе асфальтобетонной смеси»
Современные нормативные документы говорят о том, что отбор кернов должен производиться не ранее, чем через 24 часа, и не позднее 14 суток (при удаленности объектов – не позднее 30 суток). Поэтому если заказчик не успевает приехать на отремонтированный/построенный объект в указанный период, приемка осуществляется автоматически. При этом спикер отметил, что это касается только процесса приемки, работа контрольно-надзорных органов сюда не относится.
Президент «Ассоциации РОСАсфальт» Николай Быстров подчеркнул, что вопрос процедуры отбора кернов – сложная тема, которая заслуживает внимания. Он предложил участникам конференции внести в резолюцию предложение о необходимости отразить в нормативных документах требования к процедуре отбора кернов с точки зрения обеспечения объективной оценки качества работ.
«Я как был, так и остаюсь категорическим противником вообще каких-либо отборов через два года после завершения. Тут моя позиция не меняется. <…> Я считаю, что нам для дальнейшей защиты добропорядочного подрядчика и добропорядочного заказчика от не вполне компетентных в дорожном деле людей все-таки необходимо провести постепенную работу, связанную с тем, чтобы можно было объективно оценить, как меняются свойства асфальтобетона двух-трех разных типов, в разных климатических условиях»
По словам Кирилла Жданова, изменение физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона в процессе эксплуатации нужно отслеживать по нескольких параметрам. Один из них – определение изменения объемных свойств асфальтобетона. Под объемными свойствами подразумевается содержание воздушных пустот, которые регламентированы в нормативных стандартах. Но при этом важно обращать внимание, как на свойства асфальтобетона влияют разные факторы, например, движение транспорта, климатические условия, состав транспортного потока, противогололедные реагенты, шипованная резина.
«Все эти факторы могут повлиять на содержание воздушных пустот, поэтому, как они будут меняться – никто сказать не может. Поэтому мы предлагаем это определить на разных автодорогах и с разной грузонапряженностью, чтобы хотя бы приблизительно понять, как происходят изменения объемных свойств»
Еще одна важная эксплуатационная характеристика – «средняя глубина колеи». Все выпускаемые асфальтобетонные смеси должны соответствовать требованиям по данному показателю – он определяется при проектировании и при контроле качества продукта. В связи с этим есть предложение – изучить, как может измениться значение глубины колеи в процессе эксплуатации и, возможно, разработать для этого параметра нормативы или методические рекомендации. То же самое касается показателя «коэффициент водостойкости», на который оказывают влияние также несколько факторов, в том числе степень уплотнения асфальтобетонной смеси в процессе укладки, климат (в частности, переходы через 0), снижение действия адгезионной добавки и грузонапряженность в процессе эксплуатации.
«Мы понимаем, что водостойкость измениться не может в асфальтобетоне в течение времени. Для определения данного показателя отбирают образцы, имитирующие худшие условия – с максимальным количеством пустот для применяемой смеси. <…> По идее со временем коэффициент водостойкости не должен меняться, но опять же кто это проверял через даже полтора-два года? Таких данных нет. Возможно, перестала работать адгезионная добавка или произошло какое-то разуплотнение из-за отслоения битума. Произойти может все, что угодно. Мы предлагаем это учесть и проверить, как это может измениться»
Еще важный момент, на который следует обратить внимание, – определение зернового состава асфальтобетонной смеси. На него в процессе эксплуатации могут влиять следующие факторы – истирание шинами и грузонапряженность, а также то, что в процессе отбора кернов будут опилены зерна каменного материала. Требования к зерновому составу предъявляются по предельно допустимым отклонениям от утвержденного рецепта. Кроме того, спикер обратил внимание на важный нюанс: определение зернового состава из кернов – не допускается.
«Мы прекрасно понимаем, что это делать, с одной стороны, нельзя, но предлагаем провести эти исследования и проверить, как все же изменяется зерновой состав. <…> Мы предлагаем не определять зерновой состав на всех ситах, как это делалось по ГОСТу 9128, а определять хотя бы конкретно крупность, количество щебня и, может быть, количество пыли. Но это пока просто размышления. То есть планируем брать определенные контрольные сита (самые значимые) и давать по ним какие-то нормы/отклонения. Для того, чтобы хотя бы определить вид смеси, который применялся на дороге. Потому что когда надзорные органы приезжают на объект, то на эту тему даже не заморачиваются: есть зерновой состав и требование по ГОСТу – по нему и проверяют, хотя это не совсем верно»
Еще одно предложение – нормировать минимальное количество битумного вяжущего в асфальтобетонной смеси. Сегодня никаких требований к минимальному числу вяжущего нет. Поэтому один из основных показателей, на который обращают внимание строительные организации – это значение глубины колеи. Однако, по словам спикера, достичь нормативную глубину колеи легко: для этого нужно использовать меньше битумного вяжущего.
«Чем меньше битума, тем меньше будет колея. Какие дальнейшие последствия у данного асфальтобетона могут быть? Это снижение усталостных свойств, низкотемпературное трещинообразование и прочее. То есть битума должно быть достаточное количество, но никак не должно быть мало. <…> Также не забываем, что при приемке у нас есть предельно-допустимые отклонения, которые еще могут уменьшить количество вяжущего практически на 0,5 %. И наша сухая смесь станет еще гораздо суше, а значит и разрушаться будет еще быстрее»
Тут видят два варианта решения: расчетный или эмпирический методы. Если применить расчетный метод, который представлен в ГОСТ Р 58406.10-2020, то необходимо рассчитывать первоначальное минимальное количество вяжущего уже при проектировании и при необходимости уменьшать или добавлять битум, при этом его количество должно быть не ниже минимально рассчитанного числа. Другой вариант – эмпирический: назначить минимальное количество вяжущего в асфальтобетонной смеси на основе опыта работы с конкретными материалами.
Добавим, конференция «Асфальтобетон» - ежегодное мероприятие, по итогам которого формируется резолюция с актуальными предложениями для развития дорожного-транспортного комплекса страны. В этом году мероприятие прошло 6 и 7 февраля в Петербурге. Представители крупнейших дорожно-строительных организаций и их коллеги из дорожной отрасли поделились своим практическим опытом и обсудили вопросы, касающиеся асфальтобетонов, современных требований к смесям в новых национальных стандартах, а также вопросы повышения качества на разных стадиях производства и укладки асфальтобетонных смесей.
