Щебеночно-мастичный асфальтобетон
(ЩМА)


ЩМА продемонстрировал свои прекрасные эксплуатационные качества и в 1984 году был принят национальный стандарт Германии на его спецификацию и применение. С тех пор данный вид асфальта нашел свое распространение во всей Европе и во многих частях света.

В настоящий момент ЩМА используется в качестве верхнего дорожного покрытия в аэропортах, на мостах и в речных портах в таких странах, как США, ЮАР, Китай, Норвегия, Финляндия, Швеция, Франция, Германия и множестве других.

Процесс приготовления и укладки ЩМА функционален, экономичен и не требует каких-либо специальных дополнительных технических устройств. В то же время он обеспечивает прекрасные эксплуатационные характеристики дорожного покрытия, сохраняя при этом высокую стабильность и долговечность, а также возможность укладки в виде тонких слоев.

В странах, где достаточно долго экспериментируют с ЩМА, определили, что для данного вида асфальтового покрытия для получения оптимальных результатов необходимо, чтобы спецификация смеси была хорошо сформирована, а укладка на дорожную поверхность была произведена в соответствии с технологией и на высоком техническом уровне.


1. Структура


Специфические характеристики ЩМА обусловлены составом смеси.

ЩМА - это щебеночно-битумная смесь, состоящая из щебеночного скелета, в котором все пустоты между крупным щебнем заполнены смесью битума с дробленым песком (битумная мастика).

SMA

В зависимости от типа ЩМА его структура строится на следующих размерах щебня: 2-6 мм, 4-8 мм, 6-11 мм или 8-16 мм. В некоторых странах применяют более крупный щебень 16-20 мм. Особенно это характерно для северных стран с устойчивым снежным покровом и связано с массовым применением ошипованных шин в зимний период.

SMA

Принципиальная разница между ЩМА и обычным асфальтобетоном заключается в том, что допуск на размер щебня в асфальтобетонной смеси намного шире, чем в ЩМА.

Обусловлено это наличием большего объема пустот в асфальтобетонной смеси, которые необходимо заполнить более мелкими фракциями. В ЩМА основную структуру составляет крупный щебень, а мелкий служит только для создания "мастики", заполняющей пустое пространство в щебеночном скелете.

С объемной точки зрения структура ЩМА очень похожа на структуру пористого асфальта, которая также образовывается крупным каменным материалом, но в пористом асфальте пространство между каменным материалом заполняется только на 80% от объема, в то время как в ЩМА объем незаполненного пространства составляет не более 3-6%.

Исходя из концепции ЩМА, контакт между отдельными частицами каменного материала должен отвечать специфическим требованиям, а именно: для получения стабильной структуры должны быть особые требования к внешнему виду каменного материала. Он должен быть обязательно дробленый и желательно кубовидной формы.


2. Функциональные характеристики дорожной поверхности


Основными критериями при выборе типа асфальта для верхнего слоя дорожной поверхности являются следующие функциональные характеристики применяемых материалов с учетом себестоимости укладки:

- коэффициент сцепления;
- неровности, поперечные и продольные;
- уровень шума;
- долговечность;
- обзорность;

Кроме этого, в последнее время существенную роль стала играть такая характеристика, как возможность вторичного использования или переработки материала.


2.1. Коэффициент сцепления


Спецификация на ЩМА может быть подобрана для улучшения коэффициента сцепления буквально при любом применении.

Величина коэффициента сцепления зависит от двух принципиальных факторов:

- подбор типа каменного материала;
- выбор текстуры (шероховатости) поверхности.

В обязательном порядке должен применяться каменный материал с соответствующим уровнем шероховатости камня (УШК). Чем выше УШК, тем дольше будет противостоять камень сглаживанию под действием колес транспорта. Каждая из стран имеет свои стандарты на УШК исходя из технических возможностей применяемого каменного материала.

Шероховатость поверхности имеет решающее значение для вывода воды из-под пятна контакта шины и дорожной поверхности для силы сцепления, возникающей при проникновении резины движущегося колеса в неровности дорожной поверхности.

При применении ЩМА возможно получение различных текстур поверхности, т.к. их вид зависит от размера применяемого каменного материала и заполнения мастикой межкаменного пространства. Например, применение крупного каменного материала (0,14; 0,16) даст глубину текстуры поверхности 1,5-2,0 мм. Таким образом, варьируя размер применяемого каменного материала, можно добиться необходимой шероховатости поверхности.


2.2. Неровности, колеобразование


Благодаря своей жесткой скелетной конструкции, когда нагрузка с поверхности передается в нижележащие слои через непосредственно контактирующие друг с другом отдельные крупные частицы каменного материала, слой ЩМА подвергается меньшим деформациям, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Отсюда и высокая стойкость ЩМА к колеобразованию.

Проведенные исследования продемонстрировали, что показатель прочности на сжатие для ЩМА в 1,5- 4 раза выше, чем для обычного асфальтобетона.


SMA SMA


2.3. Уровень шума


Как показывают исследования, проводимые в различных странах, применение ЩМА в качестве верхнего покрытия, уменьшает уровень шума на 2-4 Db по сравнению с обычным асфальтобетонным покрытием.

В том случае, когда требуется поверхность с крупной шероховатостью для увеличения коэффициента сцепления, применение ЩМА, по сравнению с другими асфальтобетонными покрытиями существенно снижает уровень шума.


2.4. Долговечность покрытия


ЩМА появился вследствие необходимости исправления поверхностных деформаций и усиленного износа из-за применения "ошипованных" шин. Дальнейшая эксплуатация дорог с покрытием из ЩМА показала, что данный вид покрытия полностью решил возникшую проблему. Кроме этого было обнаружено, что такие дефекты, как отслаивание, образование трещин и колеобразование в случае применения ЩМА практически не проявляются.

Долговечность данного покрытия объясняется наличием довольно большого процента связующей мастики, которая препятствует проникновению влаги внутрь слоя.

Первые образцы покрытия ЩМА появились в середине 60-х годов. Некоторые из них вот уже на протяжении 30 лет находятся в хорошем состоянии без регулярного обслуживания.

Опыт использования ЩМА в других странах, начиная с середины 80-х годов, также показал прекрасные результаты его долговечности.


2.5. Обзорность


Высокая шероховатость поверхности ЩМА по сравнению с обычным асфальтобетоном позволяет большему количеству воды "скрыться" внутри текстуры поверхности, а не разливаться по поверхности. Отсюда и меньшая возможность возникновения бликов от освещения фар в ночное время.


3. Применение в качестве покрытия на высоконагруженных трассах


ЩМА прекрасно подходит в качестве верхнего дорожного покрытия для высоконагруженных трасс. Для получения качественного покрытия необходимо выполнять следующие технические условия:

Контактная нагрузка между отдельными частицами каменного материала в ЩМА больше, чем в обычном асфальтобетоне, а следовательно и больше возможность их абразивного разрушения. Поэтому должно быть уделено больше внимания качеству каменного материала (прочности, форме) и технологии уплотнения, т.к. при ее несоблюдении вероятно разрушение общей структуры слоя.

- При применении ЩМА для высоконагруженных трасс необходимо уделить внимание не только спецификации смеси, но и толщине укладываемого слоя. Рекомендуемая толщина слоя находится в прямой зависимости от размера применяемого каменного материала. Причем, чем выше предполагаемая нагрузка, тем более тщательно необходимо подходить к подбору толщины укладываемого слоя.
- При укладке верхнего слоя необходимо иметь достаточное сцепление с нижележащим слоем, чтобы не было их взаимного скольжения.
- Количеством песчаной массы в смеси можно регулировать эксплуатационные характеристики покрытия в сторону долговечности или работоспособности.

Но при этом, необходимо помнить, что:

- Для того, чтобы избежать или уменьшить колеобразование, нижележащие слои и основание дороги должны иметь низкую подверженность деформациям.
- Для улучшения характеристик покрытия в качестве связующего возможно применение модифицированного битума.


4. Производство и укладка


Производится ЩМА на стандартном оборудовании для получения горячих асфальто-бетонных смесей, но тем не менее производство и укладка имеют свои специфические особенности.

Прежде всего, это касается контроля качества подаваемого в миксер каменного материала, т.к. для получения ЩМА особенно важно выдержать его гранометрическую пропорцию. Как уже было сказано выше, ЩМА представляет собой скелетную структуру из крупного каменного материала с заполнением межкаменного пространства материалом среднего размера и битумной мастикой. Увеличение количества частиц каменного материала среднего размера приводит к тому, что не создается замкнутая скелетная структура, т.к. они заполняют межкаменное пространство и "раздвигают" крупные частицы, выводя их из контакта друг с другом. И наоборот, уменьшение их количества приводит к возникновению излишков незаполненных пустот. Похожая ситуация складывается и с количеством применяемой битумной мастики.

ЩМА очень чувствителен к перенасыщению мастикой, т.к. при этом падает грузонесущая способность покрытия из-за того, что дорожная нагрузка начинает действовать и передаваться на основание не через каменный материал, а через мастику. А так как немодифицированный битум имеет низкое сопротивление деформациям, то вся структура каменного материала "проседает", что приводит к преждевременному колеобразованию.

Как уже было сказано, ЩМА имеет высокий процент содержания битума (до 7,5%). При этом должна была бы существовать большая вероятность его "вытекания" из смеси после производства как в процессе транспортировки, так и во время укладки. Но для того, чтобы стабилизировать битум, в смеси в процессе производства применяют специальную стабилизационную добавку.

Добавление стабилизатора в смесь может производиться вручную или с помощью специального дозирующего устройства. Добавляться он может в любой стадии производства смеси и не влияет на время ее получения. Кроме этого, данный стабилизатор не боится сырости. Предпочтительней использовать дозирующие системы, которые бывают объемного или весового типов, т.к. в данном случае уменьшается вероятность ошибки в дозировке.

При возникновении трудностей с получением правильного объема воздушных пустот необходимо следовать следующим правилам:

- Чтобы увеличить содержание пустот, необходимо уменьшить количество каменного материала размером 4-8 мм (для смеси 0/10) и добавить соответствующее количество крупной фракции без изменения количества мелких частиц.
- Для уменьшения содержания пустот, необходимо увеличить количество каменного материала размером 4-8 мм (для смеси 0/10) и уменьшить соответствующее количество крупной фракции.

Укладка и уплотнение слоя ЩМА в действительности очень несложная процедура. Исходя из скелетной структуры ЩМА, необходимо аккуратно подходить к финишному уплотнению. Для выполнения правильного уплотнения достаточно выполнить следующие требования:

- Использовать для уплотнения только статические 10-тонные катки со стальными вальцами.
- Количество проходов катком должно быть не более 6 в каждом направлении.
- Использование катков большей нагрузки или с вибратором может привести к разрушению как отдельных экземпляров каменного материала, так и всей скелетной структуры в целом.


5. Экономическая эффективность


ЩМА укладывается более тонким слоем, чем обычный асфальтобетон. Там, где требуется укладка слоя асфальтобетона толщиной 35-50 мм, ЩМА можно уложить толщиной 25-40 мм, что позволяет уменьшить расход материала на 1 кв.м до 40%.

Таким образом стоимость 1 кв.м уложенного слоя обычного асфальтобетона становится равным стоимости уложенного слоя ЩМА.

Долговечность дорожного покрытия из ЩМА превосходит срок службы покрытия из асфальтобетона в 2-3 раза.

Стоимость обслуживания верхнего слоя дорожного покрытия, изготовленного из ЩМА в 2 раза ниже, стоимости обслуживания слоя, изготовленного из асфальтобетона из-за большей стойкости против колеобразования, меньшей склонности к образованию трещин и большей деформативности.

Опыт работы в Швеции и других странах показывает, что существуют отдельные дороги, имеющие покрытие ЩМА на протяжении 20-30 лет без укладки новых слоев в еще приличном состоянии, несмотря на достаточно интенсивное движение.

Все это показывает, что выбор ЩМА в качестве дорожного покрытия является прекрасной инвестицией.


6. Заключение


ЩМА - это битуминозная смесь, которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими материалами, применяемыми в дорожном строительстве, особенно в долговечности, эксплуатационных характеристиках, влиянию на окружающую среду и стоимости обслуживания на протяжении всего срока службы.

Прекрасно ЩМА показал себя при применении на высоконагруженных трассах, где особенно ярко проявились его следующие преимущества:

- Высокая устойчивость к переменным деформациям
- Высокая устойчивость к разрушениям под воздействием транспортного движения и климатических условий
- Великолепные эксплуатационные характеристики (коэффициент сцепления, отсутствие неровностей и т.п.)
- При определенных условиях ЩМА уменьшает шум от движения транспорта по сравнению с альтернативными материалами.

Для производства и укладки ЩМА не требуется какого-либо специального оборудования. Производится он на обычных установках для получения горячей асфальтобетонной смеси, а укладывается на дорожную поверхность стандартным укладчиком с дальнейшим уплотнением обычными статическими 10-тонными катками.

Большая долговечность покрытия и его меньшая подверженность различным разрушениям по сравнению с альтернативными материалами приводит в долгосрочном порядке к уменьшению вложенных инвестиций даже при большей изначальной стоимости.

Различие в спецификации на градацию каменного материала и в количестве вяжущего среди разных стран Европы обусловлено различными климатическими условиями, различиями в максимально разрешенной нагрузке на ось и вязкости применяемого вяжущего.

В случае влажного и холодного климата применяют смесь с большим количеством битума и меньшим объемом свободных полостей. В то же время в странах с жарким климатом применяют смесь с большим объемом свободных полостей и меньшим количеством вяжущего с большей вязкостью.