طريقة اختبار مارشال للأسفلت

طريقة مارشال كما هي معروضة هنا قابلة للتطبيق فقط على خلائط رصف الأسفلت الساخن، حيث يتم تطبيق طريقة مارشال لتصميم مزيج الأسفلت على نطاق واسع في مختبرات مواد البناء لاختيار مواد الركام والأسفلت وتناسبها لبناء الرصف.

ما هو اختبار مارشال؟

يتم تطبيق طريقة مارشال لتصميم مزيج الأسفلت على نطاق واسع في مختبرات مواد البناء لاختيار مواد الركام والأسفلت وتناسبها لبناء الرصف، يتضمن هذا النهج الشامل لتصميم مزيج رصف الأسفلت اختيار مواد الركام المعدنية والمواد الرابطة وإعداد عينات تجريبية واختبار الحمل لقوة وتدفق المواد، والاختبارات المعملية لخصائص المواد، ينصب التركيز على تحديد محتوى الأسفلت الأمثل الذي سيوفر أقصى قوة للخليط مع الحد الأدنى من التشوه من أحمال المحور، يتم استخدام قيم اختبار مارشال واختبار التدفق والكثافة وفراغات الهواء في الخليط والركام المعدني لتقييم الخلائط التجريبية لخلائط الأسفلت المختلطة والمضغوطة في المختبر (LMLC).

الخلفية والتاريخ:

خلال الحرب العالمية الثانية، كانت هناك حاجة ملحة لبناء سريع للمطارات المناسبة للطائرات العسكرية الكبيرة ذات الأحمال العالية على عجلات، في عام 1943، بدأ سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي بتقييم العديد من طرق تصميم مزيج رصف الأسفلت في محطة تجربة الممرات المائية (WES) في فيكسبيرغ، ميسيسيبي، بدت طريقة مارشال للاستقرار التي طورها بروس مارشال في قسم الطريق السريع في ميسيسيبي في عام 1939 أنها أكثر الطرق الواعدة بعد إضافة إجراء لقياس التشوه (التدفق).

تمت التوصية باستخدام طريقة مارشال بناءً على البساطة ونتائج الاختبارات السريعة والفعالة، وحقيقة أن بعض الأجهزة كانت متوافقة مع المعدات المستخدمة حاليًا في نسبة تحمل كاليفورنيا (CBR) اختبار الحمل للتربة الأرضية، نظرًا لعملياتها ومعداتها المباشرة، إلى جانب استخدامها على نطاق واسع من قبل الجيش الأمريكي، يتم استخدام هذه الطريقة في بعض القدرات من قبل العديد من إدارات النقل بالولاية وهي أكثر أنظمة تصميم الرصيف استخدامًا في العالم.

اختبار استقرار مارشال:

تستخدم عملية مارشال سلسلة من الاختبارات المعملية ومعايير التقييم لاختيار المواد والتضييق تدريجياً على تصميم المزيج الأمثل، حيث سيقاوم المزيج المناسب التشوه الناتج عن الأحمال المرورية والأضرار الناجمة عن الظروف المناخية وسيكون له مقاومة مناسبة للانزلاق.

ملاحظة: الاختبارات المرتبطة بتصميم مزيج مارشال لها إجراءات محددة في العديد من طرق اختبار ASTM وAASHTO المختلفة، بالإضافة إلى العديد من الاختلافات المحلية والإقليمية، تعتبر محتويات هذه المقالة دليلًا للمعدات والممارسات الشائعة فقط ولا يُقصد بها بأي حال من الأحوال أن تحل محل المتطلبات في أي من طرق الاختبار المنشورة هذه.

يبدأ الاختيار الكلي باختبار معمل لقياس الخصائص الفيزيائية للركام، تتحد كل من مقاومة التآكل والصلابة والمتانة وشكل الجسيمات لضمان أن الركام نفسه متين، وسيساهم أيضًا في القوة والمقاومة لتشوه مزيج الأسفلت النهائي، هناك مراجع مرتبطة بمعدات الاختبار وطرق اختبار ASTM ) AASHTO).

غالبًا ما يتم إجراء مزج الركام من الكسور ذات الأحجام المختلفة أو خصائص الشكل؛ لإنتاج مخاليط ذات كثافة أو قوة أو خصائص معالجة أكبر.

لا يتم اختيار رابط الأسفلت وفقًا لإجراء محدد في طريقة مارشال، غالبًا ما يتم استخدام نظام الموثق (Superpave Performance Grading) (PG)، ولكن قد يعتمد الاختيار النهائي على الخبرة أو الأداء السابق أو الإجراء المحلي، يميز نظام PG مدى ملاءمة رابط الأسفلت بناءً على الظروف المناخية المتوقعة بالإضافة إلى ظروف التقادم التي سيتم استخدامها في ظلها، لذلك سيكون الموثق المحدد للاستخدام في فلوريدا مختلفًا عن الموثق المستخدم في مينيسوتا، كما يتم تصنيف مواد الربط PG برقمين يمثلان درجات حرارة الرصيف القصوى والدنيا (بالدرجة المئوية) التي تكون مناسبة عندهما.

يبدأ تحضير العينة بتقدير ما سيكون محتوى الرابط الأمثل، بناءً على الخبرة والأداء السابق، تم تحضير عدة خلطات تجريبية من مواد رابطة الأسفلت والركام في خلاطات على نطاق معمل بمحتويات رابطة عند وفوق وتحت الحد الأمثل المقدر بزيادات قدرها 0.5٪.

يجب أن يحتوي كل مزيج تجريبي على مادة كافية لضغط ثلاث عينات من أجل قياسات الثبات والتدفق، عادةً حوالي 2.6 رطل (1.2 كجم) لكل عينة، وASTM D2041 / AASHTO T 209 النظرية القصوى محددة الجاذبية، أو اختبار رايس، يتم تنفيذه لخصائص وثيقة كثافة مزيج التصميم، حيث يمكن العثور على مجموعة مختارة من المعدات لإجراء هذا الاختبار، أفران المختبر مطلوبة لتسخين وتكييف مواد الركام والأسفلت ومطارق الضغط والقوالب.

يتم تنفيذ ضغط العينة بواسطة ضواغط مارشال اليدوية أو الأوتوماتيكية بكتلة 10 أرطال (45.36 كجم) وارتفاع إسقاط 18 بوصة (457.2 مم) وتشغيل ثابت أو دوار، يتم ضغط الخلائط التجريبية المحضرة والمسخنة في قوالب ضغط مارشال، ويتكون كل منها من قالب وطوق ولوح قاعدة بأقطار 4 بوصات (101.6 مم) أو 6 بوصات (152.4 مم)، عادةً ما يكون عدد الضربات المطلوبة لضغط العينة 35 أو 50 أو 75، اعتمادًا على أحمال المرور المتوقعة، يتم تطبيق العدد المحدد من الضربات على جانب واحد من العينة، ثم يتم عكس القالب ويتم تطبيق نفس الرقم على الجانب الآخر، كما يتم استخراج العينات السليمة والمضغوطة من القالب باستخدام قاذف عينة ويتم قياس الجاذبية النوعية السائبة التالية (166 ASTM D2726 / AASHTO T 166).

تم وصف اختبار الاستقرار والتدفق في طرق الاختبار (ASTM D6927 / AASHTO T 245)، يتم تكييف عينة الأسفلت المضغوط في حمام مائي قبل وضعها في جهاز تكسير مارشال، يتم وضع رأس الكسر ومجموعة العينة في جهاز  اختبار مارشال للاستقرار المجهز بالمكونات لقياس الاستقرار والتدفق أثناء الاختبار، يتنبأ هذا الاختبار بأداء الخلطات التجريبية، حيث يشير إلى أنه أقصى قوة للمزيج عند تحميله بمعدل 2 بوصة (50.8 مم) في الدقيقة.

أثناء عملية التحميل ، يتم تسجيل التدفق البلاستيكي، أو تشوه العينة، بزيادات 0.01 بوصة (0.25 مم) بواسطة مقياس الاتصال الهاتفي أو محول الإزاحة الخطي المتغير (LVDT)، يتوفر برنامج الحصول على البيانات لتسجيل قيم اختبار مارشال ورسمها البياني وحسابها والإبلاغ عنها تلقائيًا، يمكن أيضًا استخدام ASTM D5581 للعينات المضغوطة 6 بوصة (152 مم) أو نوى الرصيف.

يعد قياس الكثافة والفراغات من الخصائص المهمة لتحليل كامل لتصميم المزيج المقترح، كما هو مذكور أعلاه، يتم تحديد قيم الجاذبية والكثافة النوعية باستخدام الطريقة النظرية (ASTM D2041 / AASHTO T 209) (اختبار الأرز) لمادة الأسفلت السائبة و(ASTM D2726 / AASHTO T 166) لتحديد الوزن النوعي للعينات المضغوطة، هناك أيضًا حاجة لوصف أنواع مختلفة من محتويات فراغ الهواء، يتكون محتوى الفراغ الهوائي في الخلائط المضغوطة من مسافات صغيرة بين جزيئات الركام المطلية في خليط مضغوط وهي طريقة اختبار محددة في (ASTM D3203 / AASHTO T 269) هناك نوعان من قيم الفراغ الأخرى التي تحددها الحسابات.

• تُعرَّف الفراغات في الركام المعدني (VMA) على أنها الفراغ الفارغ بين جزيئات الركام في خليط مضغوط، يتم حساب VMA على أساس الثقل النوعي الكلي للكتلة، ويتم التعبير عنه كنسبة مئوية من الحجم السائب للخليط المضغوط، صيغة حساب VMA هي:

حيث:

VMA = الفراغات في الركام المعدني، بالنسبة المئوية للحجم الكتلي.

Gsb = الجاذبية النوعية السائبة للركام.

Gmb = الجاذبية النوعية السائبة للمزيج المضغوط.

Ps = الركام، النسبة المئوية بالوزن الإجمالي للخليط.

• الفراغات المملوءة بالإسفلت (VFA) في خليط رصف مضغوط، يتكون من ذلك الجزء من الفراغات الأولية في الركام (VMA) التي تم ملؤها بالإسفلت غير الممتص، يمكن تحديد VFA بالمعادلة التالية:

حيث:

VFA = الفراغات في الركام المعدني، النسبة المئوية للحجم السائب.

Pa = الفراغات الهوائية في الخليط المضغوط، النسبة المئوية من الحجم الإجمالي.

ملخص فحص مارشل:

طريقة مارشال كما هي معروضة هنا قابلة للتطبيق فقط على خلائط رصف الأسفلت الساخن، باستخدام الأسفلت متدرج اللزوجة أو الاختراق وتحتوي على الركام بأحجام قصوى 25 مم (1 بوصة) أو بدون، هذه الطريقة مخصصة للتصميم المختبري لرصف الأسفلت الساخن.

حيث تبدأ إجراءات طريقة مارشال بتحضير عينات الاختبار، ثم تسخين وخلط وضغط خليط الأسفلت، والمحوران الأساسيان في طريقة مارشال لتصميم الخلطة هما تحليل الفراغات والكثافة والثبات.

اختبار التدفق لعينات الاختبار المضغوطة: تعتبر طريقة مارشال لتصميم الخلطة الطريقة الأكثر شيوعًا لتصميم خلائط الرصف، تم صياغة مفاهيم طريقة مارشال لتصميم خلائط الرصف بواسطة BruceMarshall، المهندس البيتوميني سابقًا في إدارة الطرق السريعة بولاية ميسيسيبي، قام سلاح المهندسين الأمريكيين بتحسين وإضافة ميزات معينة إلى إجراءات اختبار مارشال وطور معايير تصميم المزيج، كما تم توحيد إجراء اختبار مارشال من قبل الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) (ASTM D1559) أن هناك بعض التعريفات التي يجب أن تكون معروفة:

الاستقرار: هو أقصى مقاومة للحمل في نيوتن (رطل) والتي ستطور عينة الاختبار القياسي عند 60 * ج عند اختبارها.

التدفق: الحركة الكلية أو الإجهاد، في وحدات من 0.25 ملليمتر تحدث في العينة بين عدم وجود حمل والحمل الأقصى أثناء الاستقرار.