Как создается рецептура асфальтобетонных смесей?

О нормативах для асфальтобетонных смесей, основанных на европейских и американских практиках, мы начинали рассказывать в прошлых номерах журнала. Эта тема была красной нитью в выступлениях на практическом семинаре «Шёлковый путь». Сегодня мы продолжим наше повествование и поделимся важной информацией докладчиков о проектировании рецептур в лабораториях.

Бойцы невидимого фронта

Большинство водителей ошибочно считают, что дорожники — это те, кого они видят на ремонтируемых участках объектов. А ведь сотрудники лабораторий, подбирающие смеси, которые потом окажутся на дороге, и проверяющие вырубки уже уложенного покрытия, — немаловажные звенья всей цепочки. В крупных организациях, как, например АБЗ-1, работают пять категорий лаборантов от техников до инженеров. К сожалению, здесь тоже сталкиваются с дефицитом профессиональных кадров.

«Современные реалии таковы, что система образования не успевает за нововведениями. Но к новичкам по привычке относятся как к подготовленным специалистам. Отправляют в свободное плавание, не оценивая, как человек усвоил материал», — описала проблему руководитель отдела контроля качества по производству АО «АБЗ-1» Полина Кострова.

Новые сотрудники лабораторий на испытательном сроке должны освоить 72 норматива, включая 55 основных видов испытаний. Чтобы понять, насколько новобранец готов к работе, на АБЗ-1 подготовили функциональные компетенции по каждой категории. Проверку проводят двумя методами: теоретические знания тестируют, а навыки оценивают комплексно по результатам задач на реальные ситуации.

Сталкиваются в компании и с проблемами, связанными с карьерным ростом.

«Многие из нас становились сначала ведущими специалистами, а потом руководителями. То есть продвижение снизу вверх. Хорошего техника делает инженер. Однако характер деятельности меняется, вместо рассеивания щебня новоиспечённый руководитель начинает работать с людьми разных характеров, возрастов и уровней квалификации. Чтобы проводить испытания, нужно учиться несколько лет, так же должно быть с управлением коллективом. Поэтому мы разработали внутреннюю программу обучения», — рассказала г-жа Кострова.

Контролируй это

Итак, согласно целям национального проекта «Безопасные качественные дороги», состояние всех федеральных и региональных трасс должно соответствовать современным утверждённым нормам. А общий фонд документов по стандартизации в области дорожного хозяйства превышает 400 единиц.

«В старом ГОСТе на асфальтобетонные смеси у нас были большие коридоры по гранулометрии и по каждой марке. И наша задача была просто попасть в эти рамки, используя любые каменные материалы разных фракций. Так же и заказчик принимал: попало — и всё хорошо. Сейчас же по каждой марке АБС есть свой диапазон отклонений, которые мы должны соблюдать.

То есть если мы в лаборатории подобрали смесь, то заказчику несём рецепт с согласованием, с указанием диапазонов отклонений. И должны соблюдать их на всём объекте. Это очень сложно», — заявила заместитель директора по качеству, руководитель научно-исследовательского центра АО «АБЗ-1» Наталья Майданова.

Она напомнила, что в старом ГОСТе был предел сжатия при разных температурах, разработанный сначала в конце 1930-х годов, перешедший в норматив 1949 года и в последующие документы. Но эти прочностные характеристики уже устарели, им почти век.

В новых нормативах ввели показатель устойчивости к сдвиговым деформациям, одновременно определяющий прочностные свойства смеси и склонность к образованию колеи. Сотрудникам лабораторий эксперт рекомендовала смотреть на формирование кривой за первую 1000 проходов колеса.

Обращать внимание нужно и на показатель водостойкости, и на контроль объёмных свойств, и на другие параметры. Причём, не только на конечные цифры, но и на изменения в динамике, так как почти все показатели взаимосвязаны.

Так, как создавали рецептуры для АБС ранее, сейчас делать нельзя. До сих пор встречаются выпускники отраслевых вузов, которые учились по стандартам 1960-х годов, где основным параметром выступал предел прочности при 50 °С.

«Кто-нибудь физический смысл этого параметра? Каким образом он влияет? Как по нему можно определить качество смеси и в зависимости от него использовать ту или иную АБС для устройства конструктивных слоёв?» — обратился к присутствующим в зале коллегам начальник лаборатории АО «АБЗ-1» Кирилл Мельник, но ответом ему было молчание.

«У нас было принято, что чем больше предел прочности, тем лучше, — продолжил спикер. При этом самые высокие показатели у песчаной смеси на обычном битуме, а самые низкие характеристики допустимы для ЩМА. То есть, судя по логике учебника из СССР, мы должны строить дороги из песчаных смесей, — улыбнулся г-н Мельник.

Но ведь мы все же понимаем, что если песчанку уложить на магистраль, то неминуемо образуется колея. На большом количестве объектов в слоях основания с прежних времён остались песчаные смеси. Там два свежих слоя асфальтобетона, но через месяц — два-три на дороге колейность. Нижние слои просто не выдерживают существующей интенсивности движения и погодных факторов и начинают мигрировать», — привёл пример начальник лаборатории «АБЗ-1».

Он добавил, что если раньше смеси готовили по двум основным показателям: водонасыщению и зерновому составу, — то теперь нужно учитывать пять основных параметров, ставших с недавних пор неотъемлемой частью в проектировании и создании асфальтобетона. Это объёмная и максимальная плотность, воздушные пустоты, а также пустоты в минеральном заполнителе и наполненные вяжущим.

Фактически все параметры в рецептурах новых АБС зависимы друг от друга. Если изменится любой из них, по словам г-на Мельника, остальные также становятся другими.

Объёмную плотность в лабораториях определяют по взятым из уже уплотнённой смеси образцам, которые помещают в воду и замеряют показатели для применения в последующих испытаниях. Этот параметр очень зависит от человеческого фактора, например, соблюдения или несоблюдения температурного режима при подготовке образцов. Также негативное влияние оказывает использование щебня разных пород с разных месторождений.

Для определения максимальной плотности образец буквально разделяют на гранулы щебня, чтобы в уплотнённом керне не было пор, и замеряют вакуумным пикнометром. Эти показатели нужны для последующего контроля степени уплотнения АБС.

Параметр «Воздушные пустоты» пришёл на смену водонасыщению. Для далёких от лабораторных исследований людей замеры воздушных пузырьков в асфальте кажутся чем-то абсурдным. Но количество пустот определяют соотношением объёмной плотности к максимальной.

«Как лаборатории контролируют этот параметр? Попробую простыми словами объяснить структуру асфальтобетона. Представьте стакан, в который насыпают фракции щебня в зависимости от рецептуры, затем каменный материал уплотнили. Между частичками образуются воздушные прослойки, это и есть пустоты в минеральном заполнителе.

Дальше мы вводим вяжущее, которое заполняет часть пустот, оставшаяся часть называется воздушными пустотами. Вот этот показатель мы контролируем и проверяем. А поры, заполненные битумом, — это наполненные вяжущим пустоты», — разложил по полочкам Кирилл Мельник.

Он акцентировал внимание слушателей на том, что весь этот набор параметров, испытаний и сложностей находится в компетенции не только лабораторий. Нужна синергия со снабженцами, производителями АБС и исполнителями ремонтных работ на дорогах. При производстве смесей по системам ОП и ОФП применение щебня разных пород одновременно становится критическим фактором, так как меняются абсолютно все параметры, и процесс выходит из-под контроля.

Зачастую это происходит, когда оператор АБЗ видит падение производительности из-за переполнения одного горячего кармана. Он перекидывает зерновой состав из другого кармана, не понимая последствий. В итоге: неудовлетворительный результат смеси и перекладывание подрядчиком асфальтобетонного покрытия за свой счёт.

Соответственно, необходимо менять подходы в поставках, складировании, в культуре производства. На готовую смесь влияют даже замены фильтров или других расходников на АБЗ, и при техническом обслуживании лаборатория обязательно должна быть в курсе изменений.

Семь раз отмерь

Все исходные материалы для изготовления АБС необходимо проверять на соответствие требованиям ГОСТа, обратил особое внимание слушателей руководитель лаборатории АБЗ-1. К сожалению, зачастую те же отсевы дробления песка, отгружаемые карьерами, не соответствуют ГОСТу 32730-2014. И надзорные органы во время проверок обращают на это внимание, хотя во многих регионах страны пески идут из осадочных пород.

Но в документации по госконтрактам заказчики стали прописывать, что материалы должны соответствовать упомянутому ГОСТу.

При положительном результате за дело берётся лаборатория, где проектируют рецепты смесей, корректируют составы отработки АБЗ. В среднем процесс занимает 15 дней с учётом подготовки документации и подбора материалов. При смене хотя бы одного компонента срок увеличивается ещё на 8 дней. И важно утвердить рецептуру с заказчиком работ на объекте.

При проектировании смесей по системе Маршалла (ОП) важно обращать внимание на процессы подготовки минеральной части, приготовления самой смеси, уплотнения образцов в лабораторных условиях, определения свойств полученного продукта и оптимального количества вяжущего. Если же смесь готовят по системе ОФП, то к перечисленным шагам добавляется определение физико-механических эксплуатационных характеристик. В случае их несоответствия нормативным документам подбор рецептуры нужно начинать заново.

Щебёночно-мастичные смеси, кроме того, требуют определения содержания пустот в крупном заполнителе после шнекования и первоначального минимального количества вяжущего.

Основные компоненты в составе асфальтобетона: битум, щебень, песок и минеральный порошок — обязательно должны иметь декларации соответствия. Их необходимо прикладывать в комплект документов для заказчика. По словам Кирилла Мельника, в некоторых компаниях снабженцы до сих пор игнорируют это требование, что приводит к лишним тратам и финансов, и времени.
Отдельно эксперт остановился на подготовке минеральных заполнителей.

После промывания и определения содержания пылевидной составляющей, зернового состава на соответствие требованиям нормативных документов нужно определить среднюю плотность для смесей по ОП или максимальной плотности для смесей по ОФП.

Дополнительная нагрузка для сотрудников лабораторий — проверка всех каменных материалов по двум методикам в зависимости от системы проектирования. Для ОП нужно определить среднюю и истинную плотности, для системы ОФП — максимальную плотность и абсорбцию щебня.

«Подбор первоначального содержания вяжущего по системе объёмного проектирования проводят по формуле Б = 2,65/Gsb х a, где Gsb — общая объёмная плотность минерального заполнителя, и a — процент номинально максимального размера зёрен заполнителя в смеси. Для объёмно-функционального проектирования подход кардинально отличается, там сплошная арифметика, таблицы Excel, сумасшедшие расчёты. Срок проектирования каждой смеси занимает до трёх месяцев, но когда вы накапливаете опыт, то процесс идёт гораздо быстрее», — пояснил г-н Мельник.

Он обратил внимание на необходимость контроля параметров в лаборатории при изготовлении образцов по Маршаллу, так как их плотность зависит от изменения температур формы, смеси и использования разных способов штыковки. Это ведёт к разному содержанию воздушных пустот.
Что касается системы ОФП, то в лабораториях обязательно должна присутствовать гираторная установка, имитирующая уплотнение смеси на дороге.

Это необходимо для определения устойчивости к нагрузкам от транспорта. Эксперт рассказал о негласном правиле, принятом на АБЗ-1: при изготовлении смесей для дорог с высокой интенсивностью движения нельзя применять чистый битум, иначе можно не пройти по показателям колееобразования. Только модифицированное вяжущее либо ПБВ.

«Проектирование смесей по новым стандартам заставило переосмыслить весь подход и принять золотое правило: количество воздушных пустот исправляют не вяжущим, а зерновым составом. Любой подбор должен начинаться с оценки содержания пустот в минеральном заполнителе. Для глобальной перенастройки нужно дополнять минеральный порошок, пыль, менять соотношение фракций. Тогда у вас получится другая структура и другой каркас. Изменяя количество вяжущего, можно сделать тонкую настройку», — продолжил доклад начальник лаборатории АБЗ-1.

Также он напомнил, что по новым ГОСТам при проектировании обязательными являются и требования к зерновым составам, потому что при контроле качества отклонения будут оценивать от этих показателей.

В рецептуре подбор более щебёнистых смесей или, наоборот, составов с меньшим содержанием зависит от планируемых нагрузок непосредственно на дороге. А когда смесь спроектирована, то лаборатория может назначить значения предельно допустимых отклонений. Тогда выпуск АБС идёт в соответствии не с ГОСТом, а с требованиями, указанными в рецепте.

«Немного остановлюсь на зависимостях. По мере повышения содержания вяжущего в асфальтобетонной смеси значение максимальной плотности будет снижаться. На рост показателя объёмной плотности сильно влияет добавление минерального порошка и того же вяжущего. Ещё советские учёные обнаружили, что, если изменить соотношение минерального порошка и пыли при одинаковом количестве битума, будет меняться значение воздушных пустот, и смесь будет более пористой», — заявил г-н Мельник.

Упомянул спикер и примечания в нормативах, касающихся отклонений максимальной плотности от проектного значения в 0,02 г/см3. Он уточнил, что данное требование не регламентирует необходимость нахождения этого показателя в пределах указанной цифры. По словам главы лаборатории «АБЗ-1», если сегодня с завода выходит смесь плотностью 2500, а завтра — 2570 или 2600, то это не брак. Цифра 0,02 г/см3 относится к частоте проектных испытаний, то есть позволяет контролировать применяемые материалы и стабильность смеси.

Нюансы последней мили

Немало изменений в цепочке по производству асфальтобетонных смесей с внедрением новых нормативов появилось и на других этапах. Например, на АБЗ-1 столкнулись с тем, что количество согласований с заказчиком и подготавливаемых проб, документов стало огромным.

«Фактически пошла вторая бухгалтерия. Приходит заявка от клиента с требованиями к смеси. В лаборатории всё это обрабатывают, и начинаются два процесса: проектирование и подготовка образцов. Мы за 2023 год подготовили 650 комплектов документов и свыше 3 тонн образцов исходных материалов, готовой смеси для проведения испытаний и подтверждения нашего рецепта. И вот вся эта работа может в один момент оказаться бесполезной из-за отсутствия культуры на производстве», — посетовал Кирилл Мельник.

Между тем, согласно новым нормативам, без согласования с заказчиком выпуск АБС невозможен. Причём на каждый объект, хоть он и для одного клиента. В документации также важно наличие проверки качества. А некоторые требуют указывать не только вид каменных материалов, но и их месторождение.

Но, даже если все бюрократические формальности успешно преодолены, вся работа по проектированию и выпуску смеси может пойти коту под хвост из-за выявленных отклонений при сдаче объекта в эксплуатацию или контрольных испытаниях со стороны заказчика. А произойти это может в числе прочего вследствие неправильного хранения материалов.

«Раздельное складирование — это уже золотое правило. Я понимаю, что все испытывают дефицит площадей, и мы тоже. За последние два-три года наши коллеги с площадок АБЗ пошли на уступки, конечно, не без сопротивления. Но всё же удалось изменить культуру производства и обеспечить складирование материалов с разных месторождений отдельно друг от друга», — рассказал руководитель лаборатории АБЗ-1.

В противном случае готовая смесь может оказаться несоответствующей утверждённому составу в согласованном рецепте и показателям нормативов.

Итак, рецепт готов, заказчик всё согласовал, можно приступать к производству. И тут важна способность АБЗ к выпуску утверждённой марки смеси. При изготовлении литого асфальта температура каменного материала на выходе из сушильного барабана составляет 370 °С.

«Литые смеси можно делать и на простом заводе, но вы будете его насиловать. Барабан через некоторое время будет непригоден для работы, рукавные фильтры будут подгорать, постоянно будет открыт клапан подсоса холодного воздуха. При выборе АБЗ клиент точно должен понимать, будет ли он производить литой асфальт, потому что в таком случае на барабан из специальной стали нужно поставить частотник и подобрать фильтры.

Это если иногда литой будете делать. А если постоянно, то завод нужен совсем другой, с жаропрочными материалами», — уточнил генеральный директор ООО «Завод СОЛОМАТИК» (SOLOMATIC) Алексей Соломатов.

Немаловажен и объём дозаторов, ведь в литых смесях содержание наполнителя достигает 38%, то есть 380 кг на тонну. После приготовления АБС нужно выгрузить в кохер, где та будет дозревать. А доставлять к месту укладки литую смесь нужно не обычными машинами, а мобильными кохерами.
Что касается других типов асфальтобетонных смесей, то во время транспортировки от АБЗ до объекта кузова самосвалов должны быть укрыты водонепроницаемым тентом или пологом.

Лучше всего, если в конструкции грузовика предусмотрен обогрев дна выхлопными газами.

«Подрядчик должен понимать плечо перевозки смеси, то, какие машины находятся в составе уплотняющего звена, присутствуют ли перегружатели и насколько остынет асфальт к моменту выгрузки в бункер асфальтоукладчика. Провести загрузку в три-пять приёмов для сохранения однородности смеси, довезти, и чтобы на выходе из-под плиты температура смеси была подходящей для заготовленной уплотняющей техники.

Все же понимают, что на холодную смесь пускать лёгкий каток нет никакого смысла? Не нужна на объекте смесь с температурой 120 °С, которая ещё остынет на 10-20 °С в процессе перегрузки и прохода асфальтоукладчика. Нужно будет или менять схему уплотнения с заменой техники, или же отбраковывать», — объяснила директор по качеству ООО «ДСК АБЗ-Дорстрой» Ольга Мельник.

Она указала, что потери температуры смеси в кузове самосвала и из-под плиты асфальтоукладчика будет зависеть от степени их прогретости. На практике первые 100 тонн остывают на 20 °С. То есть если укладка запроектирована при температуре АБС в 120 °С, то на объект смесь должна доехать с температурой 160 °С, а у первых трёх самосвалов — 180 °С. И это должен подсчитать подрядчик, а не завод при отгрузке.

Работы по укладке АБС нельзя проводить при температуре ниже 10 °С, при этом необходимо учитывать и ветер. Верхние слои покрытия быстро остынут даже при скорости ветра в 2-3 м/сек, и смесь будет недоуплотнённой.

О немаловажности обращать внимание на последнюю стадию — работу с готовой АБС на объекте укладки — говорил и Кирилл Мельник. Он привёл пример, когда в 2022 году выпустили на АБЗ традиционную смесь с плотностью 2,43 и водонасыщением 3. На объекте её бесконтрольно уплотнили.

После отбора кернов и переформования в лаборатории обнаружили, что плотность стала 2,47, водонасыщение — 0,5, а коэффициент уплотнения — 1,02. И такие результаты получали в течение сезона дорожных работ, причём никак не могли понять, почему. Заказчик выставлял претензии об отклонении от норм.

Технологи ломали голову, пока не решили воспроизвести процесс укладки на экспериментальном участке. Уложили смесь и одну часть уплотняли до получения показателя воздушных пустот 4, а другую часть укатывали просто максимально долго. Так вот в последнем варианте получили разрушение каркаса и структуры АБС.

«Риск получения претензии от заказчика есть уже с готовой дороги из-за того, что изменились параметры в процессе приготовления смеси. А непосредственный исполнитель, который укладывает смесь, выбирает режим уплотнения под те параметры, которые дал АБЗ. И если поменялся каменный материал, стали другими зерновой состав и все характеристики асфальтобетона, то по цифрам уплотнённая смесь будет с отклонениями. И заказчик не примет работу», — предупредил Кирилл Мельник.

На результат долговечности дорожного покрытия, естественно, оказывает влияние и сегрегация (подробно об этом мы писали в № 2 за 2023 год и на igrader.ru). Ольга Мельник напомнила, что основной причиной этого явления становятся некорректные загрузка и транспортировка смеси, а также игнорирование необходимости использовать перегружатель с бункером повторного перемешивания.

---

Подготовил Артём Щетников. Фото: Евгений Ошкин