OffLine версия Рекламодателям О нас
товаров 9970    фирм 1459   статей 788

блокнот 0
№44
 
Зачем уплотнять асфальтобетон выше минимальной нормы?
Главная     Лента     Авторы     Источники     Архив   
Товары в каталоге



асфальт   асфальтоукладчик   бетон   каток  

Словарь


Также по теме:

Особенности устройства и уплотнения земляного полотна
То, что земляное полотно автомобильной дороги является несущей основой или фундаментом всей дорожной одежды, хорошо известно. И нет особой нужды показывать...

Содержание автомобильных дорог
Перечень технологических процессов, входящих в понятие «круглогодичное содержание» проезжей части, земляного полотна и полосы отвода автомобильных дорог,...

Повышение качества щебеночных оснований
Практикуемое нормирование требований к исходным материалам, технологии строительства и контролю качества осуществляется без должного учета и понимания...



ЗАЧЕМ УПЛОТНЯТЬ АСФАЛЬТОБЕТОН
ВЫШЕ МИНИМАЛЬНОЙ НОРМЫ?

В прежние годы советские, а затем и российские дорожные подрядчики постоянно были озабочены проблемой обеспечения минимально требуемого нормативного коэффициента уплотнения (Ky) асфальтобетона в покрытии дороги. По действующему СНиП 3.06.03-85 степень или коэффициент уплотнения, выражаемый в России в долях 1,0, а в других странах в долях 100%, должен быть не ниже 0,99 или 99% для асфальтобетона из плотных смесей типов А и Б и 0,98 или 98% из плотных смесей типов В, Г и Д, а также для пористых и высокопористых асфальтобетонов, от объемного веса переформованных и уплотненных в лаборатории образцов. Такой объемный вес принимался за 1,0 или 100%.

Отмеченная озабоченность была обусловлена известной и всеми признаваемой технологической отсталостью отечественной дорожной отрасли, несовершенством собственной уплотняющий техники, невозможностью приобрести зарубежные, более эффективные дорожные катки.

В табл. 1 приведены те модели отечественных и зарубежных катков, которые были доступны большинству дорожников и которые использовались ими практически повсеместно в те годы на устройстве асфальтобетонных покрытий. Анализ их уплотняющей способности по современному критерию индекса контактных давлений и технологических возможностей качественно уплотнять асфальтобетон показывает их явную ущербность в функциональном плане.

Таблица 1
Индекс контактных давлений (показатель, уплотняющей способности катка)* Поло-жение вальца на катке Тип и модель статического и вибрационного катка
ДУ-50, статика, 2x3, 6т ДУ-47Б, вибрация, 2x2, 6т ДУ-48Б, статика, 2x3, 9т Т-12 (ГДР), вибрация, 2x2, 12, 4т ДУ-49Б, статич., 3x3
без балласта 11т с балластом 18т
статика, Pks, кгс/см2 передний 1,69
(слой 5см)
**
1,74
(5–6см)
2,11
(9см)
1,57
(3,5–4см)
1,19 1,92
средний 1,50 2,17
задний 2,23
(слой 10см)
**
1,99
(7–8см)
1,84
(6–7см)
2,35(12см) 2,49
(5–6см)
***
3,22
(11–12см)
***
вибрация, Pkd, кгс/см2 задний после статики 2,61
(7–8см)
после статики 2,77
(10см)

* Индекс контактных давлений является обобщенной функционально-технологической характеристикой катка, учитывающей весовую нагрузку или общую динамическую силу при вибрации и размеры (ширина, диаметр) каждого вальца.
** Оптимальный слой уплотнения щебенистого асфальтобетона для указанного индекса контактных давлений.
*** На завершающей стадии уплотнения, для которой и создавался ДУ-49Б.


И, конечно же, ожидать от такой техники более высокого качества уплотнения, чем минимально требуемое, было бы, по меньшей мере, наивно и несерьезно. Доказательств этому можно привести достаточно много. Стоит лишь указать, что по результатам двух массовых независимых обследований дорог в европейской части СССР, проведенных СоюздорНИИ, ГипродорНИИ и МАДИ в 60–70-е годы прошедшего столетия, средний срок службы их покрытий составлял примерно две трети от срока службы зарубежных дорог, а в Сибири он вообще часто не превышал 50–55%.

Из-за значительного недоуплотнения покрытий, т.е. наличия фактического брака, доходящего в 80-е годы 20 века до 25–30% даже в таком технически передовом и развитом центре, как Ленинград (табл. 2), они достаточно быстро разрушались, требуя частых и существенных затрат на свои ремонты.

Таблица 2
Коэффициент уплотнения
асфальто-бетона (в долях 1,0)
< 0,98 0,98 0,99 1,0
Средняя доля (%)
значений в общем
количестве тестов
покрытий в г. Ленинграде
в течение 5 лет –
мониторинг треста
Лендорстрой и Ленфилиала
СоюздорНИИ
1982 г. 10 20 34 36
1983 г. 26 24 24 26
1984 г. 14 19 36 31
1985 г. 13 16 25 46
1986 г. 13 42 26 19
Средняя
1982–1986 гг.
15 24 29 32


Сегодня в дорожной отрасли России уже другие времена, сами дорожники становятся другими, более опытными и современными в технологическом плане. Их оснащение эффективной техникой, в том числе уплотняющей, постепенно приближается к оснащению зарубежных коллег, они осваивают передовые технологические приемы выполнения асфальтобетонных работ. И главное, свое право на очередной объект они должны завоевывать в конкурентной борьбе, предусматривающей особое отношение к качеству работ и материалов.

Поэтому реализация минимально требуемого Ky асфальтобетона для многих подрядчиков стала не просто трудным обязательством, а фактически даже заурядным делом. Ряд из них добивается хороших, а иногда и очень высоких результатов по качеству уплотнения асфальтобетонных покрытий.

И, тем не менее, даже среди успешных в этом плане подрядчиков порой возникают сомнения и суждения о том, что СНиП формально требует Ky не ниже установленной планки, так зачем стремиться реально перекрывать эту планку, тем более, что логика конкурсных торгов поощряет снижение стоимости контрактных работ и нередко в ущерб их качеству. Объект ведь все равно примут в эксплуатацию, если соблюдены хотя бы минимальные требования СНиП.

Такого сорта дорожники продолжают мыслить и руководствоваться в своей практической деятельности прежними устремлениями и заботами – достичь минимально требуемого качества и все. Хотя имеющиеся потенциальные возможности современных технологий и машин (укладчики, катки) позволяют добиваться значительно более высоких показателей уплотнения асфальтобетона в покрытии, доходящих до 1,01–1,02 (101–102%), а в некоторых случаях и до 1,03 (103%).

Правда, у тех же дорожников появляются вопросы, а иногда и возражения против таких высоких значений коэффициента уплотнения. Мол, что это за показатель, превышающий 100%, и нужно ли, а может быть и вредно, достигать такой высокой плотности?

Очевидно, все эти вопросы, сомнения и возражения требуют определенного их обсуждения и некоторых пояснений. Хотя они давно, неоднократно и профессионально уже освещались российскими практиками и учеными, в том числе такими крупными специалистами в области асфальтобетонной технологии, как Н. Н. Иванов, Н. В. Горелышев, И. В. Королев, Л. Б. Гезенцвей и другие, внесшие существенный и неоценимый вклад в становление и развитие дорожной отрасли.

Высокие значения Ky, превышающие 1,0 или 100%, свидетельствуют, во-первых, о несовершенстве российского метода и средств уплотнения переформованного образца асфальтобетона в лаборатории, во-вторых, об имеющемся запасе или о потенциальных возможностях самого асфальтобетона деформироваться в покрытии более значительно, чем в лабораторной форме (жестком стакане), и, в-третьих, о высокой эффективности используемых сегодня технологических приемов и современных уплотняющих средств в виде разных типов катков.

К сожалению, российские дорожники до сих пор (уже примерно 50 лет, если не больше) для переформовки и для подбора состава асфальтобетона в лаборатории используют обычный, правда, легко доступный гидравлический пресс и жесткий металлический стакан (форму), которые в случае работы со щебенистыми смесями дополняются простейшим вибростолом (амплитуда колебаний 0,35–0,40 мм, частота 50 Гц) для комбинированного уплотнения сначала на вибростоле (3 мин), а затем на прессе при давлении 200 кгс/см2 (3 мин). Если смеси малощебенистые и песчаные, понадобится только пресс, но при давлении 400 кгс/см2. До утверждения в 1970 г действующих сегодня стандартов, приборов и норм уплотнения асфальтобетона достаточно было одного пресса с давлением 300 кгс/см2 при минимально требуемой степени уплотнения дорожного покрытия 0,97 из любых типов смесей.

Общеизвестно из механики грунтов, бетонов и других строительных материалов, что наиболее эффективно и быстро такие материалы деформируются и уплотняются в том случае, когда к ним прикладываются циклические усилия с поочередно повторяющимися нагружениями и разгрузками, как это делают катки на устройстве покрытия или зарубежные лабораторные приборы для уплотнения грунта и асфальтобетона (приборы Проктора, стандартного уплотнения грунта СоюздорНИИ, Маршалла, гиратор и др.), и когда частицам уплотняемого материала предоставляется некоторая свобода или возможность вертикального и горизонтального смещения относительного друг друга.

В жесткой лабораторной форме при непрерывно действующем статическом давлении пресса вместо чередующихся циклов нагрузка-разгрузка частицы асфальтобетонной смеси такой свободы практически не имеют. После некоторой начальной осадки материал образца попадает в зажатое вертикальное положение, хотя его возможности к уменьшению пористости и дальнейшему уплотнению еще не исчерпаны. В итоге объемный вес такого образца оказывается меньше, чем мог бы быть при его уплотнении по методу Маршалла или в гираторе. Поэтому за счет уменьшенного значения знаменателя (объемный вес несколько недоуплотненного образца в лаборатории) и получаются у образцов асфальтобетона из покрытия значения Ky, превышающие 1,0 или 100%.

И ничего в этом страшного или тревожащего, на первый взгляд, нет. Однако с помощью такого уже исчерпавшего себя метода и оборудования ведется подбор и проверка проектируемых составов асфальтобетонных смесей для будущих покрытий дорог, и не исключено, что эти составы будут не соответствовать наилучшим вариантам гранулометрии и физико-механических свойств.

Как известно, с повышением плотности асфальтобетона пористость его минерального остова снижается, и поэтому количество битума для заполнения пор тоже понижается. При подборе гранулометрического состава смеси в лаборатории определяют оптимальный расход битума по максимуму получаемой прочности отформованных образцов на сжатие. Если в лаборатории при использовании существующей методологии с прессом образец оказывается недоуплотненным по сравнению с плотностью в покрытии (вариант, когда Ky>1,0 или >100%), значит оптимум битума для покрытия установлен неверно.

Эксперименты с песчаными смесями показали, что при их уплотнении на прессе (400 кгс/см2) оптимум битума для Ky = 1,0 составил 7,6%, а при уплотнении на гираторе (20 оборотов) получен Ky около 1,02–1,03 и оптимум битума понизился до 6,7%. Хорошая экономия битума (в 1,13–1,14 раза), правда, на песчаном асфальтобетоне. Кроме того, образцы после гиратора оказались прочнее (R20, R50) образцов из-под пресса в 1,11–1,17 раза.

В табл. 3 представлены итоги обработки и осреднения результатов уплотнения различных щебенистых смесей известными лабораторными методами, выполненного в свое время Н. В. Горелышевым и К. Я. Лобзовой, причем за 100% приняты результаты уплотнения таких смесей стандартным для России комбинированным методом (вибрация + статическое сжатие).

Таблица 3
Метод уплотнения
лабораторного образца
Относи-тельная плотность образца, % Остаточная пористость, % Относи-тельная прочность на сжатие при +200°С, % Дробление щебня (%) при его содержании в асфальтобетоне
20% 35% 50% 65%
Сжатие на прессе при давлении:
300кгс/см2(30 МПа)
400кгс/см2(40 МПа)
500 кгс/см2(50 МПа)

99,3
100,2
100,6

5,4
5,1
5,0

100
101
105

2,1
4,0
4,9

10,6
10,8

15,5
16,8

25,0

Комбинированный=вибрация на стенде 3мин+сжатие на прессе 200кгс/см2, 3мин(стандарт для щебенистых смесей) 100 3,6 100 3,7 8,5 10,0
Требование по Маршаллу на каждую сторону образца по
50 ударов
70 ударов


99,8
101,1


4,6
3,8


126


1,1


1,7


5,8


8,1
Вращательное уплотнение на гираторе:
20 оборотов
40 оборотов


101,1
102,3


2,6
2,0


119
143


1,8


3,0


4,3


10,7

Из данных этой таблицы следует, что и комбинированный метод, и чисто статическое сжатие исчерпали все свои возможности к увеличению плотности лабораторного образца и в этом отношении оба они отстали уже не только от зарубежных методов и приборов, но и от катков, работающих на дороге и реализующих Ky>1,0.

 Результат лабораторного уплотнения асфальтобетона 0/11 В65 в приборе Маршалла при различной температуре (проф. Эльк Рихтер, технический институт г. Эрфурта, Германия)

Рис. 1. Результат лабораторного уплотнения асфальтобетона 0/11 В65 в приборе Маршалла при различной температуре (проф. Эльк Рихтер, технический институт г. Эрфурта, Германия)

К тому же у этих отечественных методов и приборов нет возможности варьировать работу уплотнения и оценивать уплотняемость составов смесей, как это делается в методе Маршалла за счет изменения количества ударов трамбовки (рис. 1) или количества оборотов гиратора во вращательном уплотнителе (рис. 2).

Гироскопический уплотнитель асфальтобетона фирмы Troxler, созданный для реализации федеральной программы SHRP SuperPave (США)

Рис. 2. Гироскопический уплотнитель асфальтобетона фирмы Troxler, созданный для реализации федеральной программы SHRP SuperPave (США)


Можно только увеличивать давление пресса, как это произошло в 1970 г., когда 300 кгс/см2 повысили до 400 кгс/см2 и нормативный коэффициент уплотнения Ky(300) = 0,97 подняли до Ky(400) = 0,99 для щебенистых смесей. Любопытно, что в результате таких изменений прежняя норма Ky=0,97 теперь соответствует всего лишь Ky=0,95, что наглядно объясняет низкий уровень качества уплотнения покрытий в 60–70-е годы прошлого века и незначительный срок их службы.

Однако та же табл. 3 показывает нецелесообразность и даже бессмысленность увеличения статического давления свыше 400 кгс/см2 для щебенистых смесей. Во-первых, прирост плотности незначителен, и, во-вторых, и это самое неприятное, с ростом давления сжатия увеличивается дробление щебня в образце, что ведет к искажению всех его показателей.

Теперь вполне очевидно, что дорожная отрасль России фактически подошла к моменту, когда действующему лабораторному методу и его оборудованию оценки качества подбора состава в лаборатории и уплотнения асфальтобетона в покрытии необходимо дать отставку, заменив их более подходящими и современными. Но какими?

Проще всего, не мудрствуя лукаво и не изобретая велосипед, можно было бы перейти на широко применяемый в большинстве стран мира, накопивший огромный опыт своего использования, достаточно доступный и, пожалуй, самый дешевый метод трамбования по Брюсу Маршаллу (незамысловатое оборудование несложно изготовить в любой механической мастерской, в том числе дорожной).
Правда, к наиболее современным все-таки следует отнести метод вращательного уплотнения асфальтобетонного образца на гираторе.
Гирационный уплотнитель лучше и ближе всего моделирует физику и механику процесса деформирования и, соответственно, уплотнения асфальтобетона статическими и вибрационными вальцами катков в слоях покрытия на дороге, и потому он более перспективный. Но в то же время и самый дорогой. И сейчас, очевидно, пока не всем российским дорожникам доступный, как, например, прибор и метод Маршалла.

Вообще в этом плане не следует исключать и перехода на новые принципы оценки качества уплотнения асфальтобетона на дороге, взяв за основу (100%) так называемую «теоретическую плотность», легче и проще определяемую в лабораторных условиях.

В США, к примеру, действует стандарт ASTM D 2041, который рекомендует (не требует и не обязывает, а рекомендует наравне с другими) использовать в качестве показателя степени уплотнения отношение плотности асфальтобетона из покрытия к его истинной («теоретической») плотности. Последняя представляет из себя отношение общей массы минеральных материалов и битума к их объему, легко находимому по закону Архимеда. Фактически «теоретическая плотность» по Д. Райсу (J. Rice) есть плотность асфальтобетона с нулевой пористостью, т.е. плотность двухфазной системы. Поэтому новый Ky асфальтобетонных покрытий, найденный через такую «теоретическую плотность», будет наиболее объективным и не зависящим от особенностей метода или конструкции лабораторного прибора определения той плотности, которую принимают за 100%.

Кстати, всю подобную лабораторную и расчетную процедуру российские дорожные службы давно освоили, определяя остаточную пористость асфальтобетона через показатели средней и истинной его плотности. Ничего не следует объяснять, никого не нужно учить. Осталось только начать движение в сторону внедрения нового Ky.

При переходе на такой принцип оценки качества уплотнения (по остаточной пористости) было бы удобно ввести региональные нормы этого качества, что давно и неоднократно предлагали некоторые дорожные специалисты, понимающие и видящие различия в эксплуатации и поведении асфальтобетонных покрытий, например, в сыром и мягком по климату Северо-Западном или суровом и сухом Сибирском регионах.

Однако этот переход потребует серьезной и большой работы по разработке, обоснованию и практической проверке норм на качество уплотнения асфальтобетона. Следует заметить, что переход не исключит необходимости иметь метод и лабораторное оборудование для подбора наиболее оптимального и эффективного состава асфальтобетона по критериям прочности, сдвигоустойчивости и усталостной долговечности.

Но все это вполне решаемо, о чем свидетельствует опыт дорожников ряда стран, в том числе соседней Финляндии, где качество уплотнения асфальтобетона нормируется по остаточной пористости, а подбор составов асфальтобетона выполняется с использованием гирационного лабораторного уплотнителя (формование тестовых образцов с определением уплотняемости подобранного состава) и проверкой отобранного состава испытательным колесом на образование колеи (оценка сдвигоустойчивости и усталостной долговечности).

Финские нормативы очень жестко и скрупулезно регламентируют методологию и результат подбора гранулометрического состава асфальтобетона для покрытий. Для качества уплотнения эти нормы тоже не кажутся более демократичными и свободными. Во всяком случае, если судить по наличию вилки требуемой средней остаточной пористости 1–4% (при условии, что единичные значения не превысят 5%) для верхних и нижних слоев покрытий дорог I и II категорий. Если эту остаточную пористость обратить в новый Ky, то норма на его минимальное и максимальное значения составит узкую вилку – 96–99% от истинной или «теоретической» плотности. Нужно ли ограничивать максимум Ky?

Российскому дорожнику, понимающему цену каждого 1% (или 0,01) плотности и привыкшему делать все для достижения более высоких ее значений, пока трудно сразу ощутить и осмыслить, что здесь хорошо, а что плохо.

Во всяком случае, концепция финских нормативов (хорошо только то, что попадает в вилку требуемых значений Ky) отличается от концепции российских и ряда зарубежных стран (все хорошо то, что не ниже заданного минимального уровня Ky) и позволяет осуществлять на дороге предельно возможное уплотнение асфальтобетона, превращающее его в материал высокого качества или класса.

Слабое или даже с минимальной нормой уплотнение, как правило, сводит на нет все технологические приемы, направленные на повышение качества и свойств асфальтобетона – использование высокопрочных и более качественных исходных материалов, как например, габбродиабазовый щебень с ухтинским или модифицированным полимерами битумом, тщательный подбор оптимального гранулометрического состава смеси, введение различного рода добавок, увеличение времени перемешивания смеси на АБЗ и др.). Такое низкокачественное уплотнение покрытия ведет к сокращению срока его службы и к росту затрат на его ремонты.

Наилучшим решением следует считать достижение предельно возможной плотности сразу во время устройства покрытия на дороге (но как заставить или простимулировать подрядчика?!), что позволит сформировать оптимальную структуру асфальтобетона с его более высокими прочностными и деформативными свойствами и исключит нежелательную стадию или период покрытия в недостаточно уплотненном состоянии, что раньше допускалось, практиковалось и не только в России. Продолжительность такого вредного периода прямо пропорциональна вязкости битума в асфальтобетоне и поэтому может быть нежелательно затяжной.

Теоретическим пределом такого состояния может служить так называемая максимальная, или истинная («теоретическая»), плотность, выше которой асфальтобетон не уплотнить, но с 0,5–1,5% остаточной пористости для не очень жарких регионов России, подобных Северо-Западному, для которых крайне важна малая пористость уплотненного асфальтобетона и низкая поверхностная водопроницаемость покрытия.

Практическим же пределом может быть та максимальная плотность, дальнейшее повышение которой вызовет резкое увеличение дробимости щебня, превышающее известные 5–6% после обычной укатки покрытия катками. Иногда состояние асфальтобетона с увеличенной дробимостью щебня называют переуплотнением, и его можно зафиксировать по снижению его прочностных показателей, несмотря на некоторое повышение плотности.

По многочисленным экспериментальным данным российских и зарубежных исследований установлено, что увеличение коэффициента уплотнения щебенистого асфальтобетона сверх минимальной нормы на 1% (или на 0,01, если этот коэффициент в долях 1,0) влечет за собой или устойчиво обеспечивает:

  • рост прочности на сжатие при +50°C и +20°С в среднем соответственно на 9 и 13%;
  • рост прочности на растяжение при изгибе на 8,5%;
  • повышение предельной деформации растяжения при изгибе на 21–22%;
  • снижение остаточной пористости примерно в 1,15 раза;
  • снижение оптимального содержания битума до 0,5% из реального его расхода;
  • рост сдвиговой и усталостной прочности примерно в 1,3–1,5 раза.

Влияние качества уплотнения асфальтобетонного покрытия на его усталостную и сдвиговую прочность достаточно убедительно показывают следующие данные, заимствованные из опубликованных графиков упомянутого уже проф. Э. Рихтера (табл. 4).

Таблица 4
Коэффициент уплотнения
асфальтобетона в покрытии, %
100 98,3 95,3 91÷92
Количество проездов (%)
испытательного колеса
до появления колеи глубиной
10 мм 100
(9,5 тыс.
проездов)
32 18 8
15 мм 100
(18 тыс.
проездов)
29 16 7
20 мм 100(26 тыс.
проездов)
33 17 9
среднее 314% 100% 54% 26%

В некоторых странах допускаемой считается колея глубиной 10 мм, в других – 15 или 20 мм. Если минимально требуемый по нормам коэффициент уплотнения асфальтобетона составляет, к примеру, 98% от максимальной плотности по Маршаллу, то подрядчик, доведя плотность до 100%, увеличит количество проездов испытательного колеса в лаборатории до образования предельно допустимой колеи (10, 15 или 20 мм), а соответственно и срок службы покрытия почти в 3 раза или около этого. Разве будет возражать заказчик? Напротив, следующий контракт он постарается, очевидно, передать именно этому подрядчику.

Как показал проф. Н. В. Горелышев, свойства асфальтобетона можно улучшать и другими мерами помимо уже упомянутых выше – добавлять резину, латекс, ПАВ, использовать активированные материалы, входящие в его состав. Каждая из этих мер достаточно эффективно улучшает ряд одних и не затрагивает или минимально изменяет другие свойства асфальтобетона. Сравнение результатов влияния таких мер на шесть показателей свойств асфальтобетона с влиянием высококачественного (предельного) уплотнения подтверждает высокую эффективность и конкурентоспособность именно этой простой и достаточно дешевой технологической операции по отношению к другим более сложным и дорогим мерам, перечисленным в табл. 5.

Таблица 5
NNп/п Мероприятия по улучше-нию свойств асфальтобе-тона Рост прочности на сжатие при Повыше-ние дефор-мативно-сти,% Снижение оптималь-ного со-держания битума, % Снижение пористости минераль-ного остова, % Снижение водонасы-щения, % Общая сумма, %
+50°С +20°С
1 Высокая степень уплотнения (предельная) 48 32 35 16 13 36 180
2 Активация материалов 59 24 0 23 15 37 158
3 Добавка полимера ДСТ 41 13 50 14 0 16 134
4 Добавка резины 47 8 63 4 5 0 127
5 Добавка латекса 45 28 33 0 0 0 106
6 Добавка ПАВ 19 7 0 0 8 18 52

Из изложенного вытекает логически ясный ответ на вопрос, сформулированный в заголовке этой публикации. Во всяком случае, в заключение можно обоснованно утверждать, что выполнять сегодня уплотнение асфальтобетонного покрытия на дороге только до минимально требуемых показателей качества – большой дорожный и экономический грех.




Опубликовано: 30.01.06
Версия для печати
Рубрика: Дорожные работы
Автор: Костельов М. П.  
Источник: Дорожная техника (Все статьи..)