В широком смысле, контроль качества строительства начинается в США задолго до собственно строительства. Во-первых, существующая система лицензирования инженеров автоматически допускает к инженерному руководству проектированием и строительством только людей, имеющих необходимую подготовку и осведомленных о мере ответственности за свою работу.

Во-вторых, система аккредитации лабораторий, сертификации их персонала и калибровки оборудования обеспечивает наличие специалистов, осуществляющих контроль качества, и нужных для этого приборов.

Наконец, для контроля одного и того же показателя, как правило, используют несколько методов и приборов, обеспечивая конкуренцию между разработчиками, а тем самым – постоянное совершенствование этих приборов и методов.

Сертификация лабораторий

Принято различать два понятия: контроль качества (QC – quality control) и гарантия (поддержка) качества (QA – quality assurance). Как известно, под контролем качества понимают постоянную или периодическую инспекцию на каждой стадии производства от исходных материалов (горной породы, нефти и т.д.) до конечного продукта, например, асфальтобетонного покрытия. Под гарантией (или поддержкой) качества (QA) в США понимают планируемые систематические действия, направленные на обеспечение стандартного уровня лабораторного контроля качества. Эти действия в основном сводятся к аккредитации лабораторий и сертификации технических работников, осуществляющих контроль качества. Порядок их проведения определяет Федеральная Дорожная Администрация.

Федеральная Дорожная Администрация США с 1995 г. установила новый порядок аккредитации лабораторий и сертификации сотрудников. Штаты разделены на несколько групп. Входящие в данную группу штаты совместно занимаются аккредитацией и сертификацией и обучением. Например, в западный регион входят штаты Аляска, Аризона, Айдахо, Вашингтон, Гавайи, Калифорния, Колорадо, Монтана, Невада, Орегон и Юта. Вместе с тем, любой штат может сформулировать собственные требования к квалификации персонала лаборатории. Техническое руководство аккредитацией лабораторий штатов по поручению Федеральной Дорожной Администрации осуществляет подкомитет AASHTO по материалам через центральную лабораторию Национального института стандартов и технологий (NIST).

Сначала аккредитуются центральные лаборатории штатов. Заявка с просьбой об аккредитации поступает из центральной лаборатории штата в Федеральную Дорожную Администрацию. В ней указывается, по каким видам строительных материалов и по каким методам их испытаний центральная лаборатории данного штата хотела бы быть аккредитованной. Из лаборатории Федеральной Дорожной Администрации или, по ее поручению, из центральной региональной лаборатории в центральную лабораторию штата поступают «анонимные» образцы материалов (битума, битумной эмульсии, щебня и т.д.). Основные стандартные показатели их свойств должны быть определены и спустя короткий промежуток времени отправлены в центральную лабораторию, где статистически обрабатываются результаты, полученные в различных лабораториях. Основываясь на среднем значении, дисперсии и требуемой надежности, центральная лаборатория выставляет лаборатории данного штата оценку по пятибалльной шкале. Оценка выставляется в зависимости от отклонения полученного результата от среднего значения. Среднее квадратическое отклонение зависит от вида испытания и прибора. Если результат, полученный в лаборатории, отличается от среднего в пределах одного среднеквадратического отклонения, выставляется оценка 5, в пределах полутора – оценка 4, в пределах двух – оценка 3. При оценке не менее трех баллов данная лаборатория получает право на проведение испытаний в течение одного года.

Кроме того, каждые 18 месяцев в лабораторию приезжает инспектор из центральной лаборатории, который проверяет приборы (начиная с термометра), методику испытаний и ведение записей в лабораторных журналах и на компьютерах. Если, например, показатели свойств битумной эмульсии, полученные в лаборатории дорожно-транспортного департамента штата, отклонились от средних для всех штатов больше допустимых пределов отклонения, эта лаборатория лишается права работать с битумными эмульсиями и департамент будет вынужден за счет своего бюджета нанять для этой цели частную лабораторию минимум на один год.

Аналогично этому центральная лаборатория штата проводит аккредитацию региональных лабораторий этого штата и частных лабораторий, претендующих на право проведения испытаний и контроля качества. Аккредитация является платной. Инспектор оценивает размеры помещения лаборатории, его освещенность, безопасность, обеспеченность водой, электроэнергией, помещениями для приготовления и хранения образцов и т.д. Проверяется наличие и состояние оборудования и документация о его калибровке. Инспектор составляет акт об имеющихся недостатках и дает 30 суток на их исправление. Повторная инспекция является окончательной. Затем в лабораторию посылают образцы материалов для испытаний.

Получив результаты, оценивают способность лаборатории проводить те или иные испытания. Результаты испытаний, полученные в разных лабораториях, оценивают статистическими методами. Например, в 2004 г. в штате Висконсин проводилась аккредитация 78 лабораторий. При испытании одного и того же битума коэффициент вариации (отношение среднеквадратического отклонения к среднему значению показателя) составлял: для вязкости при 135°C – 4%, для потери массы после прогрева при 163°C – 14%, для модуля упругости битума при минус 18°C – 5%, для предельного относительного удлинения при разрыве при минус 18°C – 7% и т.д. Чтобы быть аккредитованной на проведение испытаний битума в этом штате, лаборатория должна была получить результаты, отличающиеся от средних не больше, чем на удвоенные значения этих коэффициентов вариации.
Улица в г. Санта-Моника: асфальтобетонное покрытие мирно сосуществует с цементобетонным
Улица в г. Санта-Моника: асфальтобетонное покрытие мирно сосуществует с цементобетонным

К персоналу лаборатории предъявляется ряд требований. Выделены 5 областей, по которым проводится сертификация техников-лаборантов: каменные материалы, асфальтобетон, цементобетон, насыпь и основание дорожной одежды, контроль степени уплотнения в полевых условиях. Каждый из техников-лаборантов должен сдать письменный и практический экзамен. Разрешается 4 попытки сдать письменный экзамен в течение полугода. Затем проводится практический экзамен. В частности, техник, специализирующийся на асфальтобетоне, должен уметь отобрать образцы горячей смеси, определить содержание в ней битума; определить истинную плотность асфальтобетона (сумма масс каменного материала и битума, деленная на сумму их объемов – без учета объема межзерновых пор; в США эту величину называют максимальной теоретической плотностью асфальтобетона); определить объемную долю воздушных пор после стандартного уплотнения, определить зерновой состав минерального материала после экстрагирования битума; внести необходимые коррективы в приготовление смеси и в процесс ее укладки и уплотнения. Сдав экзамен, он получает сертификат, действительный 3 года, но ежегодно должен проходить однодневный тренировочный курс, знакомясь с новой информацией в этой области. Руководитель группы или лаборатории контроля качества дорожно-строительных материалов должен иметь не менее трех лет опыта работы в этой области.

Например, департамент транспорта штата Калифорния (Caltrans) имеет 12 региональных лабораторий, в которых в 2004 г. работали 32 штатных сертифицированных контролера качества в области дорожного строительства. Они не имеют права проводить других испытаний во избежание конфликта интересов. Всего в штате аккредитовано 243 лаборатории, из которых 64 принадлежат департаменту транспорта, 14 – городам и графствам и 165 являются частными. Техникам-лаборантам этих лабораторий на 2004 год было выдано 2112 сертификатов, причем один техник (или инженер) может иметь несколько сертификатов, скажем, один по асфальтобетону, другой – по каменным материалам, а третий – по грунтам.
Очертание бортового камня на пешеходной дорожке. Слева на бетонном тротуаре видна профрезерованная ребристая полоса, позволяющая слепому палкой нащупать начало спуска к пешеходной дорожке.
Очертание бортового камня на пешеходной дорожке. Слева на бетонном тротуаре видна профрезерованная ребристая полоса, позволяющая слепому палкой нащупать начало спуска к пешеходной дорожке

Большинство частных лабораторий принадлежат строительным подрядчикам, например асфальтобетонным заводам. Вплоть до 1970-х годов качество контролировал, главным образом заказчик, следя за тем, чтобы средний показатель (например, плотности) был близок к заданному. В 1980-х по инициативе штатов Нью-Джерси и Пенсильвании в стандартах многих штатов среднее значение и мера изменчивости показателя были скомбинированы, чтобы оценить уровень качества с помощью коэффициента вариации и уровня надежности.

Оплату выполненных работ поставили в зависимость от коэффициента вариации, чтобы уменьшить разброс толщины, плотности, содержания битума и других показателей, сильно влияющих на долговечность дорожного покрытия. Соответственно, подрядчики стали интенсивно заниматься контролем качества, а заказчики параллельно контролировали известные им критические параметры. Например, в штате Массачусетс асфальтовая группа центральной лаборатории штата во главе с к.т.н. Н.Б. Перловой с каждых 20 000 т смеси отбирала пробу, экстрагировала битум и определяла его вязкость и пенетрацию, чтобы контролировать степень термоокислительного старения вяжущего во время приготовления смеси и ее хранения в бункере. Скажем, при вязкости исходного битума АС-20, равной 200 Па•сек при 60°C, и его пенетрации 60·10-1 мм вязкость битума, экстрагированного из смеси, не должна превышать 800 Па•сек, а его пенетрация должна быть больше 50·10-1 мм. В противном случае даже хорошо уплотненное покрытие будет недолговечным вследствие старения битума. Отметим, что добавление значительного количества старого асфальтобетона в смесь существенно осложняет контроль этого важного показателя.

Недавно уложенное асфальтобетонное покрытие на городской улице. Поперечный профиль поверхности покрытия представляет собой не отрезок прямой, как в России, а выполнен в виде квадратной параболы для увеличения скорости стока дождевой воды в боковую канаву ,выполненную вместе с бортовым камнем в монолитном цементобетоне.
Недавно уложенное асфальтобетонное покрытие на городской улице. Поперечный профиль поверхности покрытия представляет собой не отрезок прямой, как в России, а выполнен в виде квадратной параболы для увеличения скорости стока дождевой воды в боковую канаву, выполненную вместе с бортовым камнем в монолитном цементобетоне
Методы и приборы для контроля степени уплотнения грунта

В США насыпи начали уплотнять послойно с 1925 г., чтобы повысить прочность, уменьшить водопроницаемость и последующую осадку грунта. Однако требования к степени уплотнения грунта к этому времени не были сформулированы. Поэтому когда вблизи Лос-Анджелеса наводнение размыло земляную дамбу, предъявить претензии к низкому качеству работ было некому – отсутствовали критерии качества уплотнения. Под влиянием этих обстоятельств полевой инженер бюро водоснабжения г. Лос-Анджелеса Ральф Проктор (R. R. Proctor) в 1933 г. предложил метод оценки степени уплотнения и опубликовал несколько статей на эту тему в журнале «Engineering News Record». Основные положения этого метода сохранились в современных нормативных методах оценки степени уплотнения грунтов, принятых в разных странах, в том числе в России.

Степень возможного уплотнения грунта, прежде всего, зависит от распределения его частиц по размерам и от формы частиц: если в нем имеются как крупные, так и мелкие зерна, помещающиеся внутри пор между крупными, возможная плотность увеличивается. Чем больше механическая работа, затраченная на уплотнение, тем выше достигаемая плотность грунта. Наконец, при одной и той же затраченной работе на уплотнение данного грунта получаемая плотность зависит от влажности грунта во время уплотнения. Совместное влияние перечисленных факторов осложняет оценку степени уплотнения. По предложению Проктора, для каждого грунта сначала в лабораторных условиях при одинаковой для всех грунтов работе уплотнения выявляют ту плотность, до которой следует стремиться его уплотнить в полевых условиях, а затем измеряют показатель плотности, достигнутый в поле, и сравнивают его с полученным в лаборатории.

Проктор предложил использовать для оценки не плотность (влажного) грунта ρ = M/V (массу единицы объема грунта), а так называемую плотность скелета грунта – массу твердых частиц, находящихся в единице объема грунта (по-английски – dry density – отсюда индекс d). Это принципиально важно. В самом деле, цель уплотнения – сблизить между собой грунтовые зерна так, чтобы они образовали систему, хорошо воспринимающую внешнюю нагрузку. Чем больше масса зерен в данном объеме грунта, тем теснее расположены зерна и тем лучше этот грунт укатан.

Масса грунта М состоит из массы частиц Ms и массы воды Mw, а масса воздушных пор Ma пренебрежимо мала: M = Ms + Mw. Разделив обе части этого равенства на объем грунта V, получаем ρ = ρd ·(1+w), где w = Mw / Ms – влажность, равная отношению массы воды к массе частиц. Значит, отобрав образец грунта определенного объема и взвесив его, можно найти плотность грунта ρ = M / V. Затем после высушивания до постоянного веса находят его влажность и вычисляют плотность скелета грунта по формуле:

(1)

Этой формулой непременно пользуются при всех методиках контроля степени уплотнения.

Однако масса частиц, находящихся в единице объема грунта, зависит и от плотности материала частиц, которая может изменяться в пределах ρs = 2,0–3,3 г/см3 в зависимости от минералогического состава грунтов, но обычно составляет ρs =2,5–2,8 г/см3. Очевидно, что объем грунта состоит из объема твердых частиц Vs, воды Vw и воздушных пор Va: Vs+Vw+Va = V. Так как объемная доля частиц в грунте равна Vs/ V= ρs / ρd , а объемная доля воды равна Vw / V= ρd / ρw, то получается следующая зависимость плотности скелета грунта от средней плотности материала его частиц , влажности w, а также объемной доли воздушных пор ca = Va / V:

(2)
где ρw – плотность воды (около 1 г/см3 )

При одной и той же степени уплотнения для грунта с более «тяжелыми» частицами плотность скелета ρd будет больше. В связи с этим было бы удобнее принять в качестве меры плотности сложения частиц грунта не плотность скелета, а объемную долю частиц в грунте, равную ρd / ρs , но по традиции продолжают использовать плотность скелета грунта ρd .

Физически процесс уплотнения состоит в вытеснении воздуха из грунта. Вода при уплотнении укаткой, трамбованием или вибрацией не успевает отжаться из зоны контакта между частицами, поскольку для ее фильтрации сквозь тонкие поры требуется определенное время. Работа уплотнения уходит на преодоление трения между частицами и их перемещение. Пока влажность грунта мала, добавление в него воды облегчает перемещение частиц относительно друг друга и способствует их более тесной укладке при той же затраченной работе. В результате с увеличением содержания воды в образце грунта до определенного предела плотность скелета увеличивается. При этом в грунте существует связанная система воздушных пор, сообщающихся с атмосферой, объем которых постепенно убывает при вытеснении воздуха в атмосферу. Но при чрезмерной влажности смазывающий эффект уже не увеличивается, а вода препятствует сближению частиц. В итоге зависимость плотности скелета от влажности грунта имеет максимум (рис. 1). Дальнейшее увеличение влажности приводит не к сближению частиц, а к их раздвижке водой.
Зависимость плотности скелета грунта от влажности, получаемая при стандартном уплотнении

Рис. 1 Зависимость плотности скелета грунта от влажности, получаемая при стандартном уплотнении.

Находящиеся в ней пузырьки воздуха замкнуты, т. е. не связаны между собой и не сообщаются с атмосферой. Поэтому при одинаковой затраченной на уплотнение механической работе наибольший эффект уплотнения получается при некоторой оптимальной влажности wopt, которой соответствует максимальная плотность скелета грунта ρd max. Эти понятия были введены Р. Проктором.

Процедура лабораторного испытания по Проктору состоит в том, что грунт уплотняют ударами падающего груза в металлическом стакане при разных влажностях и находят оптимальную влажность стандартного уплотнения и соответствующую ей максимальную плотность скелета грунта при стандартном уплотнении. Приведенные на рис. 1 данные соответствуют стандартному уплотнению по Проктору: диаметр металлического стакана 10 см, образец уплотняется в 3 слоя толщиной по 4 см каждый, груз массой 2,5 кг сбрасывают 25 раз с высоты 30,5 см, испытания проведены при пяти различных влажностях грунта. При этом диаметр плоского основания трамбовки равен 5 см, т. е. он вдвое меньше диаметра стакана с образцом грунта.

Это принципиально важно, поскольку после каждого удара груз смещают по кругу, и последующий удар наносят по новому месту. При этом обеспечивается возможность возникновения в грунте сдвиговых деформаций, моделирующих условия уплотнения в поле. Удары равномерно распределены по поверхности образца. Отметим, что Н.Н. Иванов и М.Я. Телегин, разработавшие на основе метода Проктора стандарт для СССР (переизданный в ГОСТ 22733-77), внесли, к сожалению, изменение – диаметр трамбовки приняли равным внутреннему диаметру стакана. Это повлекло за собой изменение схемы нагружения – образец находится в условиях однородного напряженного состояния без возможности сдвиговой деформации с боковым выпором грунта.

Описанный метод уплотнения по Проктору нормирован и в настоящее время и в AASHTO T 99-94. Примеру на рис. 1 соответствует средняя плотность частиц грунта ρs = 2690 кг/м3, оптимальная влажность wopt = 0,132 (13,2 %), максимальная плотность скелета при стандартном уплотнении ρd max = 1890 кг/м3. При влажностях меньших оптимальной, на левой восходящей ветви кривой (так называемая сухая ветвь) в грунте существует сообщающаяся с атмосферой система связанных воздушных пор. Напротив, в грунте, уплотненном при влажности выше оптимальной (так называемая влажная ветвь кривой), существует гидравлически непрерывная поровая вода, внутри которой имеются воздушные пузырьки. При оптимальной влажности происходит переход от системы сообщающихся между собой и с атмосферой воздушных пор к системе сообщающихся пор, заполненных водой. В данном примере этот переход происходит при объемной доле воздушных пор ca = 0,0475 (4,75 %), что нетрудно проверить по формуле (2). В правой верхней части рис. 1 показан отрезок пунктирной кривой, построенный по формуле (2) при ca = 0 для идеального случая отсутствия воздушных пор в уплотненном грунте. Получается, что в данном случае после стандартного уплотнения при оптимальной влажности твердые частицы занимали (1890/2690)100 = 70,30 % объема грунта, вода 0132 • 1890/1000 = 24,95 % и воздух 4,75 %.

Максимальная плотность скелета , найденная при стандартном уплотнении, и является той величиной, в зависимости от которой необходимая степень плотности грунта нормируется, задается в проекте и контролируется при строительстве. В зависимости от вида сооружения, глубины расположения слоя грунта и условий его работы необходимую плотность скелета задают равной 95–100 % от максимальной стандартной. Для экономии энергии и с целью предотвращения возможного снижения плотности скелета грунта в процессе эксплуатации дороги под влиянием природных факторов стремятся его уплотнять при влажности близкой к оптимальной wopt.

Во время Второй мировой войны корпус военных инженеров США, применяя метод Проктора при строительстве дорог и аэродромов, внес изменения в массу груза и высоту его падения, стремясь повысить требуемую плотность. Масса груза была увеличена до 4,54 кг, высота падения до соприкосновения с поверхностью слоя – до 45,7 см, число слоев – до 5. С увеличением работы плотность скелета увеличивается, а оптимальная влажность уменьшается. На рис. 2 показано влияние изменения количества ударов от 25 до 50 на кривую уплотнения. Точки максимума плотности скелета лежат на пунктирной кривой, примерно параллельной теоретической кривой, соответствующей нулевой воздушной пористости. В дальнейшем вносились другие изменения, отраженные в действующем стандарте T 180-93. В частности, диаметр уплотняемого образца, масса груза, число и толщина слоев, а также число ударов были поставлены в зависимость от максимальной крупности зерен. Заказчики имеют право выбора между стандартами Т 99-94 и Е 180-93.
Зависимость плотности скелета грунта от влажности при различной работе уплотнения.

Рис. 2. Зависимость плотности скелета грунта от влажности при различной работе уплотнения.

При контроле в полевых условиях определяют плотность грунта ρ и его влажность w , рассчитывают по формуле (1) плотность скелета грунта ρd и, сравнив ее с максимальной стандартной, судят о качестве производства работ. Было предложено много приборов для полевого определения плотности и влажности грунта. Рассмотрим вкратце наиболее распространенные из них. По-прежнему используют метод отбора цилиндрического образца известного объема вдавливанием в земляное полотно пробоотборника с режущей кромкой, если грунт достаточно связный, чтобы извлечь образец. Другим широко распространенным методом является испытание «по методу замещения песком», при котором в уплотненном слое грунта выбуривают образец диаметром примерно 10 см и глубиной 15 см. Образец грунта извлекают из шурфа и взвешивают. Затем, заполняя шурф песком, определяют его точный объем. Зная плотность засыпанного песка и измеряя его засыпаемое количество, рассчитывают объем шурфа. Исходя из массы извлеченного материала и объема шурфа, определяют плотность грунта.

Эти полевые методы определения плотности влажного грунта весьма трудоемки и требуют больших затрат времени. Не лучше обстоит дело с и полевым определением влажности. Так как влажность выражается в процентах по массе сухого грунта, пробу грунта на влажность приходится высушивать, причем при температуре не выше 105°C, чтобы не выжигались органические вещества, входящие в состав некоторых частиц. В лабораторных условиях для этого издавна используется специальная электрическая печь, и в зависимости от свойств грунта может потребоваться высушивание до постоянного веса в течение нескольких часов. В полевых лабораториях используют электропечи с форсированным режимом высушивания, микроволновые печки либо выжигание высушиванием в горящем спирте с последующим внесением поправок. Такими путями удается сократить время высушивания до 30–45 мин. Операционный контроль не поспевает за строительством и приходится ограничиваться небольшим количеством образцов.

Как вспомогательное средство, применяют портативный пружинный пенетрометр Проктора с набором игл различного диаметра для грунтов разной крупности. Измеряемое пружинным динамометром сопротивление пенетрации зависит как от плотности, так и от влажности, но если плотность найдена другим методом, то можно оценить влажность, для чего требуется предварительная калибровка при разных плотностях. В результате получили применение полевые комплекты, в которых сочетаются разные методы, типа распространенного в России прибора Ковалева, разработанного 50 лет назад Н.Н. Ковалевым на кафедре дорожно-строительных материалов Киевского автодорожного института.

Для определения влажности грунта независимо от его плотности был разработан прибор, в котором использована реакция хлористого кальция с водой, продуктом которой является ацетилен. Измерив давление ацетилена, можно определить влажность в течение 5 минут, но при испытании глинистого грунта он должен быть тщательно измельчен во избежание ошибки. Методика нормирована в стандарте AASHTO T 217. Образец грунта массой не более 20 грамм помещают в камеру с манометром. Портативные приборы с таким принципом работы, например, S-242 (The Speedy® Moisture Testing Kit) широко используют в настоящее время.