Как определить качество битумного вяжущего?

О результатах исполнения резолюции конференции, принятой в 2023 году, рассказал генеральный директор «Газпромнефть – Битумные материалы» Дмитрий Орлов. Он отметил, что в планы на 2023 год входило продолжить проведение межлабораторных сравнительных испытаний битумных вяжущих и асфальтобетонов. Также была предусмотрена поддержка исследований по оценке стабильности свойств битумов при повышенных температурах налива и транспортировки для внесения изменений в ГОСТ 33133-2014 и внедрения ИК-спектрометрии в качестве методики определения полимера в вяжущих. Итогом проведенной работы стало увеличение количества участников испытаний и удовлетворительных результатов. В части температуры и транспортировки – утверждена программа исследований, согласован график реализации. Разработан и вступил в действие ПНСТ 860-2023 в области внедрения ИК-спектрометрии.

Также по итогам работы в 2023 году подготовлены изменения в ГОСТ Р 58400.1-2019 и ГОСТ Р 58400.2-2019 в части замены температуры старения битумных вяжущих по PAV на 100 градусов для марок с верхними значениями 76 и 82. Проект изменений в стандарты был подготовлен и сейчас находится на этапе публичных обсуждений. С 1 февраля 2024 года введен в действие ГОСТ Р 71009-2023 в области конкретизации требований к определению марки битумного вяжущего при входном контроле.

На сегодняшний день активные исследования дорожных одежд ведет, в том числе Федеральное дорожное агентство. Об исследованиях Росавтодора рассказал начальник Управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения ведомства Сергей Гошовец. По словам спикера, в задачи исследований входят оценка напряженно-деформированного состояния дорожных одежд и мониторинг водно-теплового режима в различное время года. На данный момент ведется активный сбор научных данных. В части битумных вяжущих ведутся межлабораторные сравнительные испытания для оценки воспроизводимости результатов испытаний по определению показателей качества битумных вяжущих материалов.

Межлабораторные сравнительные испытания (МСИ) ежегодно проводятся в соответствии с разработанной программой, которая согласовывается Росавтодором. В 2023 году в них приняли участие 26 организаций, в числе которых федеральные казенные учреждения и независимые лаборатории. Всего участниками МСИ было проведено 531 испытание образцов битумного вяжущего, модифицированного битумного вяжущего и стандартного образца вязкости. О проведении МСИ, а также о сборе статистических данных при строительстве одного из крупнейших дорожных объектов России, трассы М-12 «Восток», рассказал начальник управления лабораторного контроля ООО «Автодор-Инжиниринг» Кирилл Кузин.

«Автодор-Инжиниринг» ведет работы по накоплению статистики с 2021 года, результатом которых стало решение компании продолжить работу непосредственно для уточнения параметров, предусмотренных ГОСТом. В конце 2022 года ГК на очередном совете поручила «Автодор-Инжиниринг» собрать статистику в рамках реализации строительства автодороги М-12. Были привлечены лаборатории с компетенцией и необходимым оборудованием»

Планом на прошлый год был предусмотрен отбор 300 проб дорожного полотна. Отобрано более 160 проб, 150 – испытано, 13 – в работе. Смеси отбирали непосредственно на объекте либо на асфальтобетонном заводе. Подготовка и формовка образцов осуществлялась только в одной лаборатории, чтобы избежать нюансов и разночтений. Затем пробы готовились и отправлялись в другие лаборатории. При изготовлении старались достигнуть воздушных пустот, полученных при создании образцов плит на Гираторе с учетом требований ГОСТ 58401.5. В ходе испытаний проводили проверку на устойчивость к колееобразованию по ГОСТ Р 58406.3. Испытания проводили при 60 градусах по 20 тыс. подходов или 10 тыс. циклов на образец. Также испытания проводили на число текучести при температуре 50 градусов по ПНСТ 397, определяли ползучесть и предел прочности при непрямом растяжении по ГОСТ Р 58401.7-2019 при температуре -20, -10 и 0 градусов. При проведении испытаний на усталостную прочность задали следующие условия: температура проведения испытаний – минус 10 градусов, частота приложения нагрузки – 5 Гц, уровень деформации – 500 мкм/м.

По словам генерального директора ООО «Автодор-Инжениеринг» Константина Могильного, по итогам исследований в процессе строительства трассы М-12 «Восток» была составлена программа по определению эксплуатационных характеристик асфальтобетона. Использование методики усталостной прочности позволяет оценивать влияние вяжущих, и зернового состава, а также помогает определить с помощь этих испытаний те требования к асфальтобетонам, которые должны выполнять свою роль в каждом слое дорожной одежды. Для продолжения исследований задействуют четыре лаборатории, которые отдельно займутся испытанием смесей.

Кирилл Кузин отметил, что необходимо продолжить проверку полученных инструментов оценки и зависимостей путем приготовления асфальтобетонных смесей в лаборатории (один рецепт, различные марки битумного вяжущего/модификатора) и проведения сравнительных испытаний. Также, по словам Кирилла Кузина, необходимо продолжить накопление статистических данных при строительстве скоростной автодороги «Дюртюли – Ачит», а также продлить изменения подхода к проектированию конструкций дорожных одежд, принимая во внимание функциональные особенности каждого конструктивного слоя.

«Мы считаем целесообразным результат, который мы получили, апробировать также в условиях лаборатории, то есть приготовить асфальтобетонную смесь на одном рецепте, на различных битумных вяжущих, возможно привлечь также модификаторы смесей, чтобы посмотреть насколько все полученные знания и предположения будут совпадать с данными, которые мы получили»

Переходя к теме межлабораторных сравнительных испытаний, Кирилл Кузин отметил, что в этом межсезонье более 45 участников подали заявки на проведение МСИ. Для испытаний предложено пять программ: асфальтобетонные смеси, эксплуатационные характеристики асфальтобетонных смесей, битумные вяжущие, инертные материалы, геоситетические материалы. В ходе испытаний впервые был применен параметр Zk, позволяющий оценить качество работы каждого участника по совокупности результатов испытаний. Кроме того, как отметил спикер, стабильность получаемых результатов по МСИ битумных вяжущих свидетельствует о растущей компетентности специалистов испытательных лабораторий.

Новые методы испытаний: ИК-спектрометрия

Руководитель лаборатории НИИ ТСК Иван Рожков затронул вопрос использования метода определения количества полимера с использованием инфракрасного спектрометра (ИК-спектрометрии) как одного из аналитических методов испытаний, которые применяются для исследований физико-химических показателей различных веществ и смеси веществ. Метод применяется во многих отраслях промышленности: пищевой, водной, нефтеперабатывающей и др. Однако в дорожной сфере применять ИК-спектрометрию стали только с 2023 года. Пионером в применении метода является документ ПНСТ 860, который содержит стандартный набор разделов и методов для определения количества полимера СБС в битумных вяжущих.

Для испытаний используется ИК спектрометр, который позволяет определять спектр вещества. Спектр представляет собой график, на котором по оси абсцисс – отложенные волновые числа, а по оси ординат – либо пропускание, либо поглощение, которое произошло при прохождении света через образец. На график выводят три вида пиков всплесков и поглощений. Затем определяются высоты этих пиков относительно базовых линий и по формуле рассчитывается процент СБС в образце.

«Когда вводится какой-то новый метод или какая-то методика, сразу возникает вопрос технической оснащенности для проведения испытаний. С учетом того, что аналитические приборы зачастую поставляются из-за границы, этот вопрос остается актуальным на данный момент. Но, кончено, в данной области российские производители широко представлены, и они производят множество ИК спектрометров в стране <...> То есть проблем с приобретением прибора на сегодняшний день не возникает»

Сейчас при поддержке со стороны дорожников Москвы специалисты НИИ проводят эксперимент для апробации ИК спектрометра. Для этого было выбрано 20 объектов, испытания на которых проведут в течение еще двух лет: эксперимент стартовал в 2023 году, а в 2025-м будут подведены окончательные итоги. Специалисты исследуют ПБВ в технологических и реальных эксплуатационных условиях. В 2023 году проводился отбор исходных ПБВ: отобрали порядка 20 проб на различных АБЗ, еще 20 проб на участках укладки асфальта с фиксацией мест укладки, а также 20 проб асфальтобетонных кернов из покрытия в местах укладки. Образцы были доставлены на исследование ПБВ. В 2024 и 2025 годах планируют повторно провести отбор кернов из асфальтобетона из ранее зафиксированных мест укладки в количестве 20 проб, а также провести лабораторные испытания по извлечению ПБВ. По итогам всех испытаний планируют сформировать регламент, который позволит проводить лабораторный контроль применения ПБВ на всех этапах жизненного цикла, в том числе на этапе эксплуатации.

На образцах 2023 года провели лабораторное моделирование старения по методу краткосрочного старения и долгосрочного старения. С помощью экстрагирования извлекли растворы битумных вяжущих, при помощи роторного испарителя выделили битумные вяжущие из этих растворов и все эти образцы испытали на физико-механические показатели, а также изучили на них ИК спектры. Результат показал, что метод помогает определить количество СБС на различных этапах жизненного цикла ПБВ.

Спикер отметил, что метод позволяет определять количество полимера как в исходном, так и на извлеченном битумном вяжущем, а результаты испытаний имеют минимальные расхождения. Кроме того, по результатам испытаний извлеченного битумного вяжущего возможно подтверждение наличие СБС в исходном материале.

«Самое главное, что по результатам испытаний вяжущего, можно прогнозировать что было в исходном, и наоборот – из того, что было в исходном, можно спрогнозировать, что будет в извлеченном асфальтобетоне. Это одна из главных задач практического применения метода в дальнейшем»

При апробировании метода у специалистов возникли сомнения: что случится, если при извлечении битумного вяжущего будет использован плохой асфальтоанализатор или он будет неисправен. В таком случае в пробу может попасть какой-нибудь минеральный материал, и битумное вяжущее загрязнится. В стандартных случаях количество такого «загрязнителя» обычными методами определить не получится. Они не настолько чувствительные, чтобы определять малое количество загрязнителей, а ИК спектрометр настолько точный, что может определить на спектре даже малые загрязнения. Если при анализе изменения спектров не затрагиваются дотационные пики, то проблем по определению СБС может и не произойти. Но, если ситуация обратная, коррекция результата уже будет под сомнением, поэтому необходимо сразу определить зону, которая должна быть критически изменена в составе битумного вяжущего при испытании.

«Битумное вяжуще с загрязнителем нам действительно показало спектр, по которому мы даже не видим наших дотационных пиков, хотя мы точно знаем, что СБС в составе есть. Далее мы очистили материал, отстояли в течении суток и сняли спектр, но все равно остатки материала присутствуют. Это говорит о том, что мелкая взвесь очень долго отстаивается. И возможно для того, чтобы она рано или поздно отстоялась, нам пришлось бы ждать очень долго. А мы ждать не хотели, поэтому провели фильтрование оставшегося материала, где собрали самую мелкую взвесь, которая оставалась в этом растворе. После этого сняли спектр, и все стало абсолютно соответствовать спектру исходного битумного вяжущего материала. В итоге полученный спектр позволил нам абсолютно точно определить количество СБС в составе материала»

При возникновении подобной проблемы предлагается следующее решение: разработка методики очистки раствора и разработка методики определения применимости битумного вяжущего для испытаний.

Иван Рожков отметил, что на данный момент важно провести широкое апробирование ПНСТ 860, чтобы ГОСТ, который придет ему на смену, был максимально хорошим. Для этого важно уже сейчас запустить исследование и НИИР по разработке. Спикер также призвал применять этот стандарт для набора статических данных, которые позволят четко определить сходимость метода. Сбор отзывов пользователей и запросов по применению в системах нормирования позволит определить направления совершенствования метода и расширения его области применения.

Испытательные полигоны

Как отметил начальник управления перспективных методов исследований и испытаний ФАУ «РОСДОРНИИ» Александр Конорев, любое внедрение и развитие испытаний требует опыта исследований. Опыт можно наработать самостоятельно или обратиться к зарубежным исследованиям. В мировой практике большое место занимают методы ускоренных испытаний дорожной конструкции. Организации объединяются, исследуют и делятся опытом. Также достаточно больше количество ВУЗов занимается методом ускоренных испытаний и имеют установки ускоренных испытаний. За последние годы опубликовано не менее 35 тыс. статей по направлению исследований колееобразования и усталостному трещинообразованию.

Различные типы установок по ускоренным испытаниям требуют различной инфраструктуры для обеспечения достоверного сбора информации, сходимости результатов, для анализа и для внедрения нормативно технических стандартов. Кроме того, в зависимости от программ исследований может различаться время, необходимое для их проведения.

Ускоренные испытания – это капиталоемкое исследование и требует немалых вложений. Для получения наиболее полноценной информации от таких испытаний необходимо применение различных типов систем и датчиков, например, для испытаний дорожной конструкции задействуют датчики напряжения, давления, силы, остаточной информации, влажности и др.

«Несомненно анализ зарубежного опыта показал, что необходимо иметь обеспечение инфраструктуры для проведения испытаний. Соответственно, мы смогли подготовить такой комплекс для проведения испытаний, и в данном комплексе есть возможность проведения испытаний двух типов конструкций. У нас есть три полномасштабные секции для устройства дорожных одежд и одна неглубокая секция для испытания слоя асфальтобетона. Оснащение комплекса позволяет проводить испытания круглогодично, а также контролировать заданные параметры структуры дорожных одежд и производить техническое обслуживание симулятора колесной нагрузки»

В 2022 году «РОСДОРНИИ» получил установку ускоренных испытаний – симулятор быстрых колес «ЦИКЛОС». Установка имеет четыре полномасштабных грузовых колеса, до 60 тыс. приложений нагрузки в сутки. Величина колесной нагрузки аппарата – до 6,5 т (13 т на ось), длина испытательного участка с постоянной линейной нагрузкой – 4 метра, габаритная ширина – 2,55 метра, длина – 9,2 метра, высота – 3,5 метра, масса установки – 21 т. Далее установку дополнили системой линейных перемещений, которая позволяет создавать нагрузку, с точки зрения нормальной нагрузки на участках дороги. Полигон «Циклос» разработан для единого методологического обеспечения проводимых испытаний и исследований, учитывающего комплексный подход для получения качественного результата. На полигоне уже провели опыт строительства дорожных одежд. В стесненных условиях построили две дорожные конструкции: аналог автодороги М-5 «Урал» и аналог асфальтобетона на трассе М-12 «Восток».

«Развитие ускоренных методов испытаний требует методологического и нормативно-правового обеспечения для того, чтобы испытания были легитимными и могли проводиться единообразно. Установка наша запатентована, мы уже разработали стандарт организации по методам ускоренных испытаний и, собственно, в это году дальше продолжаем работу в этом направлении, разрабатываем ряд стандартов по организации исследований, строительству дорожных одежд в испытательных секциях и монтажу датчиков в испытательных секциях»

Испытания дорожной одежды на полигоне проходят поэтапно. Специалисты проводят разработку программы испытаний, строительство дорожной одежды в испытательной секции с монтажом датчиков, подготовительные (предварительные) испытания: испытания с применением лабораторного и диагностического оборудования, нагрузочных колес симулятора «ЦИКЛОС» со статическими и динамическими нагрузками. Далее – основные испытания, в рамках которых проводят исследование прокатыванием нагруженных колес, испытания применением диагностического оборудования для оценки транспортно-эксплуатационного состояния и несущей способности участка, а также визуальный мониторинг в процессе всего испытания состояния испытательного участка. В конце специалисты собирают и обрабатывают данные, демонтируют дорожную одежду в испытательной секции.

«Если рассмотреть разработку программы испытаний, то симулятор колесной нагрузки позволяет оценивать различные параметры направлений исследований. Если глобально разделить испытания, то основные направления исследований проводятся по характеру воздействия на конструкцию дорожной одежды, а также по конструкционно-материальным решениям. Если мы рассматриваем воздействие, то анализ у нас может быть долговечности: от величины нагрузки, влияние различных типов шин на долговечность дорожных одежд и влияние давления в шинах»

Полигон также позволяет оценить тепловлажный режим дорожной конструкции, эффективность применяемых материалов, модификаторов, отходов промышленности и инновационных технологий, а также применяемых проектных решений и инновационных технологий в конструировании. По направлению этих исследований можно получать такие результаты, как уточнение параметров расчетных моделей дорожных одежд, а также эмпирических зависимостей. Кроме того, можно провести исследование причин преждевременного разрушения, поиски путей повышения устойчивости к колееобразованию и усталостному трещинообразованию, анализ и прогнозирование транспортно-эксплуатационного состояния автодорог, совершенствование методов проектирования и расчета дорожных одежд.

По словам спикера, чтобы определиться с векторами исследований, была составлена программа работ до 2030 года, в которой указаны основные направления испытаний, а также предварительно согласованы конструктивные решения – это исследование основания дорожной конструкции с точки зрения изменений его характеристик при эксплуатации.