Проектирование состава асфальтобетона

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1''Выбор вида, типа и марки асфальтобетона''

ГЛАВА 2 ''Оценка качества исходных материалов''

2.1 Щебень

2.2 Песок

2.3 Минеральный порошок

2.4 Битум

ГЛАВА 3 ''Расчёт состава минеральной части а/б''

3.1 Расчёт по кривым плотных смесей

3.2 Графический метод

ГЛАВА 4 ''Выбор оптимального содержания битума''

ГЛАВА 5 ''Технология приготовления асфальтобетона''

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

 Дорожная одежда состоит из подстилающего слоя, основания и слоев покрытия. Оно воспринимает давления от подвижных нагрузок и распределяет их по земляному полотну. Так как наибольшее давление возникает на поверхности и уменьшается по глубине, дороге необходима прочная одежда, что в свою очередь требует качественных материалов, уплотненных до высокой плотности.

 Дороги с твердым покрытием имеют асфальтобетонную или цементобетонную поверхность, которая сочетает грузонесущие свойства с соответствующим показателям сопротивления скольжению и износу, непроницаемости и долговечности.

 Цель данной курсовой работы: выполнить проектирование состава асфальтобетона для устройства верхнего слоя покрытия автомобильной дороги находящейся во II-ой дорожно-климатической зоне III категории дороги.

Асфальтобетоном называют материал, который получают после уплотнения асфальтобетонной смеси, приготовленной в смесителях в нагретом состоянии щебня или гравия, песка, минерального порошка и битума в рационально подобранных соотношениях. Если вместо битума применяют дёготь или полимер, то соответственно материал называют дёгтебетон или полимербетон.

 Асфальтобетонные смеси являются основным видом битумоминеральных смесей. Существует большое количество смесей, которые различаются по крупности и количеству щебня, содержанию природного или дроблёного песка, количеству минерального порошка, вязкости битума. В результате получают смеси с различной структурой, которая и обеспечивает сопротивление покрытий эксплуатационным воздействиям. Смеси с большим содержанием щебня имеют скелет из каменных частиц, который воспринимает основную механическую нагрузку. Смеси, состоящие из минерального порошка, песка и битума, представляют собой асфальтовый раствор, их механические свойства определяются главным образом вязкостью битума. Чем меньше в смеси скелетообразующих частиц, тем выше должна быть вязкость битума.

95% автомобильных дорог строятся с асфальтобетонным покрытием, так как имеет ряд преимуществ над другими покрытиями. Главное отличие асфальтобетона от бетонов на минеральных вяжущих заключается в его термопластичности, т.е. размягчении и снижении прочности до 0,8-1,0 МПа в жаркие летние дни, когда температура покрытия поднимается до +50°С, и повышении твёрдости и прочности до 10,0-15,0 МПа при отрицательной температуре в зимнее время года.

Гранулометрический состав асфальтобетонной смеси определяет содержание пор в минеральной части асфальтобетона, которое в свою очередь определяет количество битума в смеси и взаимосвязано с остаточной пористостью. Оптимальная остаточная пористость взаимосвязана с вязкостью связующего вещества и комплексом эксплуатационных факторов – транспортных, атмосферных, климатических. Например, при маловязком разжиженном битуме необходима высокая пористость асфальтобетона, обеспечивающая быстрое испарение лёгких фракций из битума и как следствие повышение сопротивления эксплуатационным факторам.

Комплекс эксплуатационных факторов влияет также на выбор марки битума. В холодном климате надо применять битум с меньшей вязкостью, чем жарком. Тяжелое движение транспортных средств диктует применение высоковязкого битума.

I «ВЫБОР ВИДА, ТИПА И МАРКИ АСФАЛЬТОБЕТОНА»

Выбор вида, типа и марки асфальтобетона необходимо выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 9128 – 97

Основные параметры и показатели:

1. В зависимости от вида минеральной составляющей подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные.

2.Смеси в зависимости от вязкости используемого битума и температуры при укладке подразделяют на:

- горячие, приготавливаемые с использованием вязких и жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее 120 °С;

- холодные, приготавливаемые с использованием жидких нефтяных дорожных битумов и укладываемые с температурой не менее 5 °С.

3. Горячие и холодные смеси-асфальтобетоны

а) Горячие смеси и асфальтобетоны в зависимости от наибольшего размера минеральных зерен подразделяют на:

крупнозернистые с размером зерен до 40 мм;

мелкозернистые » » » до 20 мм;

песчаные » » » до 5 мм.

 Асфальтобетоны из горячих смесей в зависимости от величины остаточной пористости подразделяют на виды:

высокоплотные с остаточной пористостью от 1,0 до 2,5 %;

плотные » » » св. 2,5 до 5,0 %;

пористые » » » св. 5,0 до 10,0 %;

высокопористые » » » св. 10,0 до 18,0 %.

б) Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

 Асфальтобетоны из горячих смесей в зависимости от величины остаточной пористости подразделяют на виды:

высокоплотные с остаточной пористостью от 1,0 до 2,5 %;

плотные » » » св. 2,5 до 5,0 %;

пористые » » » св. 5,0 до 10,0 %;

высокопористые » » » св. 10,0 до 18,0 %.

Асфальтобетоны из холодных смесей должны иметь остаточную пористость свыше 6,0 до 10,0 %.

4. Щебеночные и гравийные горячие смеси и плотные асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы:

А с содержанием щебня св. 50 до 60 %;

Б » » » св. 40 до 50 %;

В » » » св. 30 до 40 %.

Щебеночные и гравийные холодные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы Бх и Вх.

Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

Д и Дх - на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

Высокоплотные горячие смеси и соответствующие им асфальтобетоны содержат щебень свыше 50 до 70 % Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

Д и Дх - на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

Высокоплотные горячие смеси и соответствующие им асфальтобетоны содержат щебень свыше 50 до 70 %.

Проектирование асфальтобетона:

Анализ условий работы проектируемого асфальтобетона в конструкции (транспортные нагрузки, максимальные уклоны, геолого-климатические условия);

Выбор способа производства работ в зависимости от погодно-климатических условий и района строительства;

Выбор исходных материалов;

Расчёт состава асфальтобетона:

а) расчёт состава минеральной части по кривым плотных смесей:

цель - получить минеральный состав с минимальным количеством пустот.

Составы могут быть непрерывные и прерывистые.

б) определение оптимального количества битума:

определяем опытным путём:

· готовят смеси с разным количеством битума

щебень и песок нагревают до 150 - 170°С,

битум до 130 - 150°С,

смесь до 140 - 160°С.

· уплотняют при давлении 40 МПа.

Приготовление и испытание контрольной смеси:

определяют физико-механические показатели и сравнивают с требованием ГОСТ.

Технические требования к дорожному асфальтобетону из горячих, плотных смесей:

В зависимости от качественных показателей а/б разделяют на три сорта (марки):

Предел прочности при сжатии:

· при 20°С Þ R20, МПа

· при 50°С Þ R50, Мпа - характеризует здвигоустойчивость

· при 0°С Þ R0, Мпа - характеризует хрупкость;

1.  Коэффициент водостойкости:

Кв = Rв/R20, где Rв - предел прочности водонасыщенного образца;

2.  Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении:

Квд = Rвд, где Rвд - прочность образца после насыщения, в течение 15суток;

4. Водонасыщение по объёму, % [1 ¸ 4]%;

5  Пористость минерального остова:

· для типов А и Б не более 19%

· для типов В, Г, Д не более 22%

1.  Остаточная пористость, % по объёму [2 ¸ 5]% - для плотных а/б.

Этапы формирования структуры асфальтобетона:

1.  Период активного структурообразования протекает в момент объединения битума с минеральным материалом.

2.  Сближение структурных элементов смеси при её укладке и уплотнения.

3.  Период стабилизации микроструктурных связей в асфальтобетоне при эксплуатации покрытия.

  Повышение вязкости битума при охлаждении.

  Повышение вязкости битума за счёт улетучивания лёгкого углеводорода, за счёт стабилизации ориентированных молекул битума или при появлении новообразования в зоне контакта.

Доуплотнение под действием транспорта.

На стадии разработки проекта автомобильной дороги выбирают асфальтобетон определенной разновидности, конкретно для каждого конструктивного слоя дорожной одежды.

В верхних слоях покрытий на дорогах всех категорий используют только плотный асфальтобетон.

Нижние слои покрытий на дорогах I – II категорий устраивают из пористого асфальтобетона, а на дорогах III – IV категорий – из высокопористого асфальтобетона.

В верхних слоях оснований можно использовать как пористый, так и высокопористый асфальтобетоны.

При стадийном строительстве нижний слой покрытий устраивают, как правило, из плотного крупнозернистого асфальтобетона.

Вид и тип плотного асфальтобетона для верхних слоев покрытий назначают в зависимости от категории дороги и климатических условий района строительства.

В районах I, II и частично III дорожно-климатических зон, характеризующихся холодным и влажным климатом, для устройства верхних слоев покрытий целесообразно использовать смеси типа Б с содержанием щебня или гравия 40 – 50 %, а также типов В, Г и Д, в которых формируется замкнутая поровая структура, препятствующая прониканию воды в покрытие. При этом в районах II дорожно-климатической зоны рекомендуется применять асфальтобетоны с остаточной пористостью не более 5% объема.

Для второй дорожно-климатической зоны (ГОСТ 9128-97):

Таблица 1

Наименование показателя	Результаты испытаний	Требования ГОСТ 9128-97 для типа Б марки II
Марка щебня по  прочности  истираемости  морозостойкости Содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы, %	1000 И II F100  14,89	Не ниже 800  Не ниже И II  Не ниже F50  Не более 25

При строительстве верхнего слоя покрытий на дорогах третьей категории можно использовать горячие смеси типов А, Б, В, Г и Д II марки, а также холодные асфальтобетонные смеси типов Б_х,В_х,Г_х марки I.

В соответствии с требованиями нормативных документов и данными задания для проектирования асфальтобетонной смеси мною выбран асфальтобетон типа Б из горячих смесей марки II, потому что:

·  результаты испытаний удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128 - 97

·  из практических соображений, для второй климатической зоны с её холодным климатом очень важно. Он обладает достаточно высокой сопротивляемостью механическим и атмосферным факторам, поэтому его применяют для устройства верхнего слоя двухслойных покрытий и при интенсивном движении

·  по сравнению с типом Б, тип А является многощебенистым а/б, а т.к. щебень дороже песка, тип А менее экономичен. Тип Б проще запроектировать, т.к. тип А более требователен к процентному содержанию частиц на ситах.

ГЛАВА 2 «ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

2.1 Крупный заполнитель(щебень):

Для приготовления щебня используют прочные морозостойкие магматические, метаморфические и осадочные горные породы, а также прочные и морозостойкие медленноохлаждённые металлургические шлаки.

Прочность при сжатии горных пород должна быть не менее 100…120 МПа, а осадочных карбонатных пород металлургических шлаков - не менее 80…100 МПа.

Показатель прочности при износе в полочном барабане для щебня из горных пород не более25…35%, а для шлаков - не более 35%. Марки по износу бывают: И 1, И2, И3, И4.

Щебень для асфальтобетонных смесей должен быть чистым, (по ГОСТ 8267 п.4.71 таблица 9) не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 1%.(т.к в соответствии с ГОСТ 25100 щебень гранитный является магматической породой ) Форма зёрен щебня должна быть приближена к тетраэдальной и кубовидной, а поверхность к - шероховатой, что повышает внутреннее трение и прилипание вяжущего. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в щебне и гравии должно быть, % по массе, не более:

15 - для смесей типа А и высокоплотных;

25 - для смесей типов Б, Бх;

35 - для смесей типов В, Вх.

 Щебень для а/б смесей должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов переменного замораживания и оттаивания, а для нижнего слоя покрытия - не менее 25 циклов. Отсюда марки морозостойкости: F20, F25, F50.

Исходные данные:

· Щебень гранитный

-  плотность - 2,7г/см³

-  марка по прочности при раздавливании в цилиндре - 1000

-  марка по износу в полочном барабане – ИII

-  марка по морозостойкости –F100

-  зерновой состав:

Таблица 2

Наименование показателя	Диаметры отверстий сит, мм
	20	15	10	5	<5
Полный остаток,%	6	9	57	98	100
Полный просев,%	94	91	43	2	0

-  содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы, %

фр. 5 - 10 мм – 16%

фр. 10 - 20 мм – 14%

Содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы = (16*41+14*51)/(41+51)=14,89%(<25%)

Вывод: по всем указанным выше показателям щебень известняковый можно применить для проектирования горячей асфальтобетонной смеси типа Б, марки II.

2.2 Мелкий заполнитель (песок):

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют природные и дроблёные пески, и отсевы продуктов дробления горных пород и гравия. Песок должен быть чистым и содержать пылевато-глинистых частиц не более 3% по массе.

Природный песок - неорганический сыпучий материал с крупностью до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений без использования специального обогатительного оборудования.

Дроблёный песок получают дроблением скальных пород или кристаллических металлургических шлаков. В зависимости от прочности исходной горной породы дроблёный песок делят на две марки: 800 и 400. Для первой из них применяют горные породы с прочностью при сжатии не ниже 80 МПа, а второй - не ниже 40 МПа.

Песок из отсевов дробления - неорганический сыпучий материал с крупностью до 5 мм, получаемый из отсевов дробления горных пород при производстве щебня и из отходов обогащения руд черных и цветных металлов и металлических ископаемых и других отраслях промышленности.

Гранулометрический состав песка должен обеспечивать получение смеси с другими минеральными материалами с наибольшей плотностью. Из этих соображений для приготовления асфальтобетона применяют крупно и среднезернистые пески.

Исходные данные:

· Песок кварцевый

-  плотность - 2,62 г/см³

-  содержание загрязняющих примесей – 1,5 %

-  зерновой состав:

Таблица 3

Наименование показателя	Диаметры отверстий сит, мм
	5	2.5	1.25	0.63	0.315	0.16	<0.16
Полные остатки,%	0	20	40	60	85	98	100
Полные просевы,%	100	80	60	64	28	8	0

модуль крупности песка (М_к) без зерен размером крупнее 5 мм по формуле

 

где А_2,5, А_1,25, А₀₆₃, А₀₃₁₅, А₀₁₆ - полные остатки на сите с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм и на ситах с сетками № 1,25; 063; 0315, 016, %.

Мк=(20+40+60+85+98)/100=3,0

Вывод: группа песка по модулю крупности - песок крупный II класса(в соответствие с ГОСТ 8736-93 Песок для строительных дорог. ТУ). В этом случае когда иметься крупный или средний песок минеральный остов асфальтобетонной смеси подбирают по принципу непрерывной гранулометрии. По содержанию пылеватых и глинистых частиц песок соответствует требованиям ГОСТ и пригоден для приготовления асфальтобетона.

2.3 Минеральный порошок:

Минеральный порошок получают помолом известняков, доломитов и других карбонатных пород с прочностью не менее 20МПа и содержанием загрязняющих и глинистых примесей не более 5%.

В ряде случаев, в качестве минерального порошка применяют порошкообразные отходы промышленности – пыль уноса цементных заводов, золы ТЭЦ.

Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но увеличивает его хрупкость, поэтому содержание минерального порошка в смеси должно быть минимальным, достаточным лишь для придания а/б нормативной прочности и плотности.

Функции минерального порошка:

-  заполняет пустоты песчано-щебёночного каркаса и повышает плотность минеральной части;

-  превращает нефтяной битум в асфальтовое вяжущее.

Для минеральных порошков существует ГОСТ 52129 – 2003 «Порошки», по которому классифицируют минеральные порошки:

МП – 1 – порошки из карбонатных пород не активированные и активизированные, и из битуменозных пород;

МП – 2 – порошки из некарбонатных пород, твёрдых и порошкообразных пород промышленного производства.

Технические требования:

 · Тонкость помола должна быть такой, чтобы при мокром рассеве проходила через сито 1,25 – 100%;

0,315 – 90 ¸ 95%;

0,071 – 70¸80%;

· Пористость не более 35%;

· Набухание образцов из смеси порошка с битумом не более 2,5%;

· Влажность не более 1%.

Эти требования только для МП – 1.

Исходные данные:

· Минеральный порошок известняковый

-  пористость – 25%

-  плотность – 2.6 г/см³

-  влажность – 0,5 %

-  зерновой состав:

Таблица 4

Наименование показателя	Диаметры отверстий сит, мм
	1.25	0.63	0.315	0.16	0.071	<0.071
Полные остатки,%	0	4	7	19	25	100
Полный просев,%	100	96	93	81	75	0

Таблица 5

Наименование показателя	Результаты испытаний	Требования ГОСТ Р 52129-2003 для марки МП-1
Пористость, %  Плотность, г/см3  Влажность, %  Зерновой состав:  мельче 1,25 мм  -//- 0,315 мм  -//- 0,071 мм	25 2,6 0,8 100 93 75	35 -  Не более 1,0  Не менее 100  Не менее 90  От 70 до 80

 

Вывод: минеральный порошок по показателям физико-механических свойств соответствует ГОСТ Р 52129-2003 и пригоден для приготовления асфальтобетона.

2.4 Битум:

Битумы – это органические вяжущие вещества, состоящие из высоко молекулярных углеводородов: нафтенового, метанового и ароматического, а так же кислородных, сернистых и азотистых производных.

Групповой состав битума:

1. Масла – молекулярная масса 300 – 500 а. е., r < 1, содержание в битуме 40 – 60%.

2. Смолы – молекулярная масса 500 – 1000 а. е., r » 1, содержание в битуме 20-40%.

3. Асфальтены - молекулярная масса 1000 – 5000 а. е., r > 1, содержание в битуме 10-25%.

4. Карбены, карбоиды не растворимые в бензоле.

5 .Асфальтогеновые кислоты - r > 1, их содержание определяет интенсивность прилипания вяжущих к каменным материалам,

6 . Парафины – ухудшают свойства битума, придавая ему хрупкость.

Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют нефтяные дорожные вязкие и нефтяные дорожные жидкие битумы. Для горячих и теплых асфальтобетонных смесей I и II марок следует применять только битумы марок БНД, а для горячих и теплых асфальтобетонных смесей III и IV марок, а также для асфальтобетонных смесей, предназначенных для устройства оснований и нижних слоев покрытий, наряду с битумами марок БНД допускается также применение марок БН соответствующей вязкости.

Битумы марок БНД характеризуются более широким температурным интервалом пластичности и более высокой теплостойкостью по сравнению с битумами марок БН, обладают лучшими низкотемпературными свойствами и сцеплением с поверхностью минеральных материалов, но менее устойчивы к старению.

Марку вязкого битума, а также марку жидкого битума выбирают в зависимости от вида асфальтобетона, климатических условий района строительства и категории дороги, а для холодного асфальтобетона – с учетом условий и сроков хранения смеси на складе. Марку определяют по следующим показателям:

 - глубина проникания иглы (при 0⁰ С, при 25⁰ С);

 - температура размягчения по кольцу и шару, ⁰С;

 - растяжимость , см. (при 0⁰ С, при 25⁰ С);

 - температура хрупкости, ⁰С;

 - температура вспышки, ⁰С;

 - индекс пенетрации;

 - содержание водорастворимых соединений, %;

 - изменение температуры размягчения после прогрева, ⁰С.

 Вывод: В соответствии с выбранным видом асфальтобетона (горячий плотный а/б марки II, типа Б), II дорожно-климатической зоной, III категорией дороги, пользуясь таблицей «Рекомендуемая область применения различных асфальтобетонов для верхнего слоя дорожного покрытия с учетом категории дороги и климатических условий» был выбран вязкий битум марки БНД 90/130.

ГЛАВА 3. « РАСЧЁТ СОСТАВА МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ»

Одним из важнейших факторов определяющих требуемое качество асфальтобетона, является правильный выбор рационального соотношения между минеральными компонентами смеси (щебнем, песком и минеральным порошком), обеспечивающего оптимальную плотность (пористость) его минерального состава.

Расчёт состава минеральной части асфальтобетона может осуществляться несколькими методами: по кривым плотных смесей (табличный или аналитический), графическим, графоаналитическим с использованием ЭВМ. Независимо от выбранного способа расчёта состава асфальтобетонных смесей, основным показателем правильности расчёта минеральной части является получение смеси с минимумом пустот.

Достоинства метода: он более точен, позволяет наглядно убедится в правильном подборе минеральной части по графическому изображению плавной кривой, лежащей в границах ГОСТа.

Недостатки метода: зачастую приходится несколько раз выполнять расчет, потому что процентное соотношение, проходящее по требованиям для мелких фракций, не проходит для более крупных.