34Predavanje_4_Mineralne i Asfaltne Mesavine

IV предавање

KОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ

IV предавање

Пројектовање минералних и

асфалтних мешавина

шк. 2009/10 год.

Пројектовање асфалтних мешавина

� Циљ – Пројектовати економичну мешавину минералног материјала (агрегата) и везива која задовољава пројектне критеријуме

� Класичне методе

� Marshall (Маршал)� Marshall (Маршал)

� Hveem

� Приближна метода – LCPC (Дуриез)

� Нови приступ

� Метода Superpave (USA)

� Нове хармонизоване Европске норме

Пројектни захтеви за асфалтне мешавине� Стабилност (отпорност на деформације под

оптерећењем)

� Трајност (отпорност на климатске утицаје и дејство саобраћаја)

� Флексибилност (отпорност на замор под дејством � Флексибилност (отпорност на замор под дејством оптерећења)

� Храпавост (отпорност на клизање површине коловоза)

� Водонепропустљивост

� Уградљивост

Асфалтне мешавине по Српским стандардима� Асфалт-бетони, SRPS U.Е4.014/1990.

� АБ4, АБ8, АБ11, АБ11с, АБ16, АБ16с, АБ22с

� Битуменизирани носећи слојеви,SRPS U.Е9.020/1986.

� БНХС16, БНС22, БНС 22с, БНС32, БНС32с, БНС 45

� Доњи битуменизирани носећи слојеви SRPS U.Е9.028/1986.

� Крупнозрни ДБНС 0/32, 0/40, 0/60

� Средњезрни ДБНС

� Ситнозрни ДБНС

� Ливени асфалти, SRPS U.Е4.020/1970

� Ливени асфалт

� Тврдо ливени асфалт

Савремене асфалтне мешавине � Скелетни мастикс асфалт

(Split Mastix (Stone Matrix) Asphalt) – SMA немачки стандарди ZTV bit – StB 01/2001 � SMA 0/11 S, SMA 0/8 S, SMA 0/8, SMA 0/5

� Порозни асфалтиДо 20% шупљина� До 20% шупљина

� Смањење буке� Одводњавање

� Танки асфалт-бетонски слојеви (слојеви дебљине 2 – 3 cm)

� Mикро-асфалт

� ...

Типови асфалтних мешавина према хармонизованим европским нормама

� Асфалт-бетони

� Асфалт-бетони за врло танке слојеве (2 – 3 cm)

� Меки асфалти (Скандинавске земље)

� Вруће ваљани асфалти

� SMA� SMA

� Ливени асфалти

� Порозни асфалти

� Рециклирани асфалти

Означавање асфалтних мешавина

према Европским нормама

Тип мешавине

AC SMA

Максимална величина зрна агрегата D

4 8 11 16 22 324 8 11 16 22 32

СЛОЈ

SURF BIN BASE

Тип везива

20/30 30/45 40/60 50/70 70/100 100/150

Пример: AC 11 SURF 50/70

Пројектовање асфалтних мешавина1. Пројектовање минералне мешавине

2. Одређивање оптималног садржаја везива� На бази запреминске структуре асфалтне

мешавинемешавине� На бази физичко-механичких

карактеристика асфалтне мешавине

Пројектовање минералне мешавине� Максимално зрно агрегата ̴ 1/2-1/4 дебљине

асфалтног слоја (услов збијања)

� Крупнозрније мешавине� већа носивост� већа отпорност на трење� већи запремински удео агрегата� већи запремински удео агрегата� мања специфична површина зрна агрегата –

потребно мање везива за обавијање зрна� већа отпорност на колотраге� већа опасност од сегрегације

� Ситнозрније мешавине

� мања опасност од сегрегације

� мањи ниво буке

� мање хабање пнеуматика

Пројектовање минералне мешавине� Градација минералног материјала – кључни

утицај на карактеристике асфалтне мешавине

� Теоретски најбоља градација - она која даје мешавину са максималном запреминском масоммасом� Мања зрна попуњавају шупљине између већих зрна

и тиме повећавају стабилност мешавине (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

Дисконтинуална мешавина� Само одређене фракције

� Добар “interlock” – Добра “укљештеност“ зрна

� Мала порозност

Гранулометријски састав минералне мешавине

� Фулерова крива (Fuller and Thompson, 1907):

где је:

n

D

dP

=

где је:� 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 мешавине

� Теоретски n = 0.5 – мешавина максималне густине

� Усвојено n = 0.45 као оптимално за асфалтне мешавине

Стандардни дијаграм гранулометријског састава

100

90

80

70

0

10

20

30

40

КАМЕНА СИТНЕЖ - ШЉУНАКПЕСАКситан средњи крупан

Пр

ол

ази

кр

оз

сито

у %

ма

се

Ост

аје

на

ситу

у %

мас

е

Дијаграм гранулометријског састава минералне мешавине

DD

Страна квадратног отвора сита у mm (d0.45)

60

50

40

30

20

10

0

40

50

60

70

80

90

100

0 0.09 0.25 0.71 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 8.0 11.2 12.0 16.0 18.0 20.0 22.4 25.0 31.5 35.0 45.0

Пр

ол

ази

кр

оз

сито

у %

ма

се

Ост

аје

на

ситу

у %

мас

е

Линије Линије максималне максималне густинегустине

Гранулометријски састав –пример АБ 11

Отвор сита (mm)

Пролаз на ситу

11.2 P=(11.2/11.2)0.45=1=100%

8 P=(8/11.2)0.45=0.859=85.9%

4 P=(4/11.2)0.45=0.629=62.9%

2 P=(2/11.2)0.45=0.461=46.1%

0.71 P=(0.71/11.2)0.45=0.289=28.9%

0.25 P=(0.25/11.2)0.45=0.181=18.1%

0.09 P=(0.09/11.2)0.45=0.114=11.4%

Гранулометријски састав -пример АБ 11

100

90

80

0

10

20

КАМЕНА СИТНЕЖ -ШЉУНАКПЕСАК

ситан средњи крупан

масе


D=11.2D=11.2

85.9 %85.9 %


70

60

50

40

30

20

10

0

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.09 0.25 0.71 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 8.0 11.2 12.0 16.0 18.0 20.0 22.4 25.0 31.5 35.0 45.0

Пролазикрозситоу% масе

Остаје на ситу

у %

масе

62.9 %62.9 %

46.1 %46.1 %

28.9 %28.9 %

18.1 %18.1 %1111..44 %%

Типови минералних мешавина

100

90

80

0

10

20



масе


Добро градуирана Добро градуирана мешавинамешавина


70

60

50

40

30

20

10

0

30

40

50

60

70

80

90

100


Остајенаситуу% масе

Униформна Униформна мешавинамешавина

Дисконтинуална Дисконтинуална мешавинамешавина

0 0.09 0.25 0.71 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 8.0 11.2 12.0 16.0 18.0 20.0 22.4 25.0 31.5 35.0 45.0

Гранични појас - пример АБ 11с и SMA 0/11S

100

90

80

0

10

20



масе



70

60

50

40

30

20

10

0

30

40

50

60

70

80

90

100



0 0.09 0.25 0.71 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 8.0 11.2 12.0 16.0 18.0 20.0 22.4 25.0 31.5 35.0 45.0

Пројектовање минералне мешавине

• Одређивање учешћа појединих фракција у минералној мешавини тако да гранулометријска крива буде у граничном појасу

• Прорачун гранулометријског састава мешавине

xPbPaPP XiBiAii ⋅++⋅+⋅= ...

• Pi – пролаз минералне мешавине од фракција A, B,...X на ситу i

• PAi, PBi,…PXi -- пролаз фракција A, B,...X на ситу i• a, b,…x - пропорционално учешће фракција у мешавини, а+b+…+x=1 (100 %)

xPbPaPP XiBiAii ⋅++⋅+⋅= ...

Пројектовање минералне мешавине� Метода Сојуз-Дорни

� Дефинисати жељену гранулометријску криву� Најчешће средња линија граничног појаса� Срачунати пролазе и остатке на свим ситима

� Одредити процентуално учешће фракција � Одредити процентуално учешће фракција камене ситнежи у минералној мешавини (изузев песка)

где је:� U2/4 – процентуално учешће фракције 2/4 mm у

мешавини� ОMM,2 – остатак мешавине на ситу 2 mm� О2/4,2 – остатак фракције 2/4 mm на ситу 2 mm

2,4/2

2,

4/2 O

OU MM

=

Пројектовање минералне мешавине

� Метода Сојуз-Дорни� Одредити процентуално учешће каменог

брашна� Користи се пролаз кроз сито 0.09 mm

U =(P /P )100UKB=(PMM,009/PKB,009)100� Одредити процентуално учешће песка као

разлику до 100 %

UP=100-(ΣUKS+UKB)

Прорачун запреминске масе минералне мешавине• Одредити запреминску масу минералне мешавине ако су познате запреминске масе без шупљина фракција каменог агрегата

• Прорачун запреминске масе без шупљина минералне мешавине

100

GA, GB,…GX -- запреминска маса фракција A, B,...Xa, b,…x - процентуално учешће фракција у мешавини,

a+b+…+x=100 %

XbA

MM

G

x

G

b

G

aG

+++

=

...

100

Запреминска структура асфалтних мешавина� Запреминска маса слоја у збијеном стању (Zm)

� Максимална запреминска маса (Zmax)

� Шупљине (VŠ)

� Ефективна запремина агрегата (VA)

� Шупљине у минералној мешавини (VŠMM)� Шупљине у минералној мешавини (VŠMM)

� Шупљине испуњене асфалтом (VB)

Запреминска структура асфалтне мешавине

ШупљинеШупљине

БитуменБитумен

VVŠMMŠMM

VVBB

VVŠŠ

АгрегатАгрегат

VV

VV00

VVAAVVAA

Запреминска маса слоја у збијеном стању

� SRPS U.М8.092

где је: V

MZm =

� М – маса асфалтног узорка

� V – запремина асфалтног узорка

Максимална запреминска маса � SRPS U.М8.082

где је:MM

MM

B

B

G

P

G

PV

MZ

+

==100

0

max

где је:� М – маса асфалтног узорка� V0 – запремина асфалтног узорка без шупљина� Pb – проценат учешћа битумена у мешавини� Gb – запреминска маса битумена� PMM – проценат учешћа минералне мешавине� GMM – запреминска маса минералне мешавине

MMB

Шупљине у асфалтном узорку

или у процентима:

max

max0 1Z

Z

Z

MZ

M

Z

M

V

VVV m

m

mŠ

−=

−

=−

=

или у процентима:

( )VVZ

ZV m

Š %1001max

⋅

−=

Запремина битумена

( )VVG

ZPV

B

mBB %

⋅=

Шупљине у минералном материјалу� Запремина шупљина између зрна агрегата у

збијеној мешавини

� шупљине испуњене ваздухом

� ефективна запремина битумена

( )VVVVV %+= ( )VVVVV BŠŠMM %+=

Остале карактеристике � Шупљине у минералној мешавини испуњене

битуменом

( )VVVV

V

V

VIV

B

BBŠMM %100⋅

+==

� Запремина агрегата

VVV ŠBŠMM +

( )VVVV ŠMMA %100 −=

Остале карактеристике

� Однос пунила и везиваP0.075 / Pbit = 0.6 - 1.2

P0.075 – садржај зрна < 0.075 mm у минералној мешавини (% m/m)

P – садржај битумена у мешавини (% m/m)Pbit – садржај битумена у мешавини (% m/m)

Метода Маршала� Bruce Marshall (Mississippi

Highway Department), 1935-1940

� 1943 Waterways Experimental Station – Студија за потребе примене у II светском рату

Тег од 10 фунти (4,5 kg)� Тег од 10 фунти (4,5 kg)� 50 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 оC

� Распон вискозности

� За мешање: 0,15 – 0,19 Pa s

� За збијање: 0,25 – 0,31 Pa s� За збијање: 0,25 – 0,31 Pa s

� Избор оптималних температура

Температуре мешања и збијања

1010

55

ВискозитетВискозитет, Pa s, Pa s

.1.1

.2.2

.3.3

.5.5

11

100100 110110 120120 130130 140140 150150 160160 170170 180180 190190 200200

ТемператураТемпература, , ооCC

Температура збијања

Температура мешања

Метода Маршала - поступак� Изабрати и испитати минерални материјал

� За мешавине са мање од 10% зрна > 25 mm

� Изабрати и испитати везиво – битумен� Дефинисати температуре мешања и збијања

� Дефинисати и припремити узорке за пробне � Дефинисати и припремити узорке за пробне мешавине - серије� Загрејати и умешати битумен и агрегат � Направити (збити) узорке Φ = 10 cm (101,6 mm)

� Стандардна висина узорка 63,5 mm (±1,3 mm)

Метода Маршала - поступак� SRPS U.М8.090

� 5 серија са различитим садржајем везива� Једна серија са прогнозираним оптималним

садржајем битумена

� Две серије са садржајем испод оптималног� Две серије са садржајем испод оптималног

� Две серије са садржајем изнад оптималног

� Разлика у садржају битумена између серија: 0,5 %

� Свака серија – најмање три узорка

Метода Маршала - Испитивања� Висина узорка (на 3 места)

� Запреминска маса (SRPS U.М8.092)

� Стабилност и течење� 60oC у воденом купатилу (30 до 40 минута)� Степен оптерећивања: 50 mm/min � Степен оптерећивања: 50 mm/min � Стабилност – максимална сила отпора деформацији, N� Течење – одговарајућа деформација стандардног

узорка, mm

� Обрачун шупљина� Шупљине у минералној мешавини (VŠMM)� Шупљине у асфалтном узорку (VŠ)� Шупљине испуњене битуменом (IVŠMM)

Дијаграми физичко-механичких својстава асфалтне мешавине

Стабилност, N Запреминска маса

Шупљине, %

VŠ,SR

Садржај битумена, %

Садржај битумена, % Садржај битумена, %

OK


IVŠMM, %

IVŠMM,SRmin IVŠMM

OKmax IVŠMM

Оптималан садржај битумена� Просек из 4 вредности:

� Максимална стабилност

� Максимална запреминска маса

� Средња вредност критеријума за шупљине

� Средња вредност критеријума за шупљине испуњене � Средња вредност критеријума за шупљине испуњене битуменом

� Са оптималним процентом битумена мешавина мора задовољити све тражене критеријуме!

Дијаграми течења и шупљина у минералној мешавини

OK

Течење, mm

Горња границаOK

VŠMM, %

OK


Доња граница


Доња граница

Укоченост и модул укочености� Укоченост на 60 оC

Модул укочености

( )mmkNтечење

стабилностU =

� Модул укочености

( )MPaтечење

стабилностMU

8,15×=

Метода Маршала –Институт за асфалт 1997. год.

Саобраћај

Лак

(< 104 ESALs)

Средњи

(104-106 ESALs)

Тежак

(>106 ESALs)

Критеријум min. max. min. max. min. max.

Збијеност (број удараца на свакој страни)

35 50 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 мешавине

� Јефтина опрема� Једноставан поступак за контролна/текућа

испитивањаиспитивања

� 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 мешавине се уклапа у одређено подручје

� Претпоставка: Свако зрно минералне мешавине је � Претпоставка: Свако зрно минералне мешавине је обавијено филмом битумена оптималне дебљине

Метода Дуриеза� Специфична површина зрна агрегата у

минералној мешавини:

где је:

( )kgmfsSGP /150123,25,02

⋅+⋅+⋅+⋅=∑где је:

G - удео зрна већих од 6.3 mm

S – удео зрна између 0,250 и 6.3 mm

s – удео масе зрна између 0,063 и 0,250 mm

f – удео масе зрна мањих од 0,063 mm (камено брашно)

Метода Дуриеза� Садржај битумена у односу на минералну

мешавину (тзв. “спољни садржај”):

где је:

K – модул засићења

5 ∑⋅⋅= PKB α

K – модул засићења� К=3,50-4,50� К=3,50 – носећи слојеви од битуменизираног

материјала� К=4,0 – асфалт бетон� К=4,5 – ливени асфалт

αααα = 2650/GMM – корекциони коефицијент с обзиром на запремиснку масу минералне мешавине

Метода Дуриеза� Запреминско учешће битумена у асфалтној

мешавини:(% v/v)

где је:

B – “спољни” садржај битумена у односу на

B

BVB

+=

100

B – “спољни” садржај битумена у односу на минералну мешавину (% v/v)

� Учешће битумена у % масе:

(% m/m)m

BBB Z

GVP

⋅=

Пројектовање SMA SMA SMA 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

SMA Асфалт-бетон

Врсте SMASMASMASMA мешавина� Зависно од националих спецификација

� Према Немачким спецификацијама:

� SMA 0/5

� SMA 0/8

� SMA 0/8s� SMA 0/8s

� SMA 0/11s

� У другим спецификацијама јављају се мешавине са номиналним максималним зрном агрегата од 10, 12, 14 или 16 mm

Гранулометријски састав –поређење АБ 11с и SMASMASMASMA 0/11SSSS

� SMA – дисконтинуална мешавина

100

90

80

0

10

20



масе



70

60

50

40

30

20

10

0

30

40

50

60

70

80

90

100



Оквирни састав SMASMASMASMA мешавине� Илустрација састава на мешавини SMA 0/11s

� Дробљена камена ситнеж 4/8 и 8/11 mm – 70 %

� Песак 0/2 mm – 20 %

� Камено брашно – 10 %

� Битумен или полимер модификован битумен –� Битумен или полимер модификован битумен –6 – 7 %

� Влакна са циљем да стабилизирају мешавину –0.3 – 1.5 %

Карактеристике основних материјала� Агрегат

� Високог квалитета

� Отпоран на дробљење и хабање

� Кубичаст облик зрна

� Битумен

Обичан битумен� Обичан битумен

� Полимер модификовани битумен

� Влакна

� Целулозна

� Целулоза + стакло

� Минерална (дупло већи проценат у односу на целулозна влакна)

� Вунена

� Азбестна

Запреминска структура SMA мешавине� 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 � 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 – EN 12697-18

� Одређивање количине везива која се дренира из асфалтне мешавине

� Загревање 1 сат на максималној температури мешањамешања

� Остатак асфалтног малтера на посуди треба да буде мањи од 0.3 %

Предности SMASMASMASMA мешавина� Висока отпорност на трајну деформацију –

колотраге

� Боља храпавост (након почетног периода експлатације)

� Смањење буке� Смањење буке

� Смањење ризика од aquaplaning ефекта

� Боља видљивост при кишном времену

� Већа трајност

Недостаци SMASMASMASMA 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 40 oCтемпература не падне испод 40 C

� храпавост површине непосредно након извођења радова

� Потребна већа технолошка дисциплина током извођења радова

� Температура збијања

� Дебљина слоја 3.5 – 4 cm (SMA 0/11s)

Documents

34Predavanje_4_Mineralne i Asfaltne Mesavine