OffLine версия Рекламодателям О нас
товаров 5483    фирм 699   статей 932

блокнот 0
№25
 
Обеспечение высокого качества уплотнения асфальтобетона
Главная     Лента     Авторы     Источники     Архив   
Товары в каталоге



асфальт   асфальтоукладчик   бетон   виброкаток   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...



НОВАЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УСТОЙЧИВО ОБЕСПЕЧИВАЕТ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО УПЛОТНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА

Каждый раз, приступая к асфальтобетонным работам на дороге, любой подрядчик должен быть уверен в том, что он сумеет устроить ровное, плотное, прочное и долговечное покрытие. На это же надеется и заказчик, предварительно анализируя предыдущий опыт подрядчика, профессиональный уровень его специалистов и рабочих, наличие современной техники и использование наиболее прогрессивных или усовершенствованных технологий.

Сейчас ситуация с качеством асфальтобетонных работ и с зависящими от этого качества сроками службы дорожных покрытий на российских объектах заметным образом сдвинулась в лучшую сторону. Сами дорожники стали в этом плане грамотнее и ответственнее. Более качественными стали исходные материалы для асфальтобетона, многие подрядчики используют современные АБЗ, укладчики и катки, освоили передовые технологии устройства покрытий с помощью перегружателей смеси, ультразвуковой автоматики на укладчиках, ударно-вибрационного уплотнения смеси катками фирм Dynapac, Hamm, Bomag, Ingersoll-Rand-ABG и др.

И, тем не менее, пока не все в сегодняшней асфальтобетонной технологии устраивает ведущие дорожные фирмы и специалистов России, особенно когда речь заходит об уплотнении горячих асфальтобетонных смесей в покрытии.

Многолетняя практика применения самых современных отечественных и зарубежных пневмошинных и гладковальцовых статических и вибрационных катков показывает, что не всегда и не всякие их образцы обеспечивают российскому дорожнику минимально требуемое по нормам или еще более высокое качество уплотнения асфальтобетона. Даже при соблюдении всех технологических требований и правил выполнения этой операции.

Сравнительный анализ функционально-технологических параметров и особенностей большого количества статических и вибрационных катков, в том числе и наиболее современных их образцов, и результатов укатки ими горячих асфальтобетонных смесей различными слоями выявил несколько пробелов, упущений и существенных недостатков, отражающихся на качестве асфальтобетона.

Главный из таких недостатков состоит в том, что на протяжении достаточно продолжительного периода времени все эти модели и типы катков создавались и продолжают создаваться не на основе фундаментального теоретического осмысления самого процесса уплотнения и особенностей механики силового взаимодействия рабочего органа катка (валец, шина) с уплотняемым материалом, а эмпирическим путем, методом проб и ошибок через практический эксперимент.

Асфальтобетонные работы на Автобусной ул. Санкт-Петербурга выполняет ЗАО «ВАД»

Асфальтобетонные работы на Автобусной ул. Санкт-Петербурга выполняет ЗАО «ВАД»

Очевидно, по этой причине никто пока не может дать вразумительных ответов на вопросы о силе воздействия вальца виброкатка на уплотняемый материал или о значениях контактных давлений статических и вибрационных катков на этот материал.

До сих пор в качестве критерия оценки уплотняющей эффективности статического гладковальцового катка используется так называемое линейное давление его вальца, никак не связанное ни с прочностью, ни с деформативностью уплотняемого материала.

А у виброкатков вообще нет никаких критериев. Их функционально-технологическая оценка производится приблизительно и интуитивно по значениям отдельных показателей и параметров (общий вес, амплитуда и частота колебаний вальца, центробежная сила). Но чаще всего такая оценка строится на доверии к фирме-производителю виброкатка.

Второй существенный недостаток технологии и средств укатки состоит в вольном или невольном игнорировании влияния толщины уплотняемого слоя асфальтобетона на итоговый результат их работы. В дорожной отрасли при возведении земляного полотна технолог либо по техническим характеристикам грунтоуплотняющей машины, либо по рекомендациям фирмы, выпустившей эту машину, либо путем пробного уплотнения устанавливает оптимальную толщину слоя отсыпки грунта в насыпь и рациональный режим его уплотнения этой машиной.

При устройстве же асфальтобетонных покрытий таких оптимальных толщин не определяют, потому что толщина слоя жестко задается проектом и контрактом. К тому же многие ошибочно полагают, что между толщинами слоев устраиваемых покрытий не такая уж большая разница и что это не имеет принципиального значения. Поэтому в подавляющем большинстве случаев одни и те же наличные виброкатки дорожник использует, к примеру, на слоях 5 и 8 или 3 и 7 см, хотя теоретически вес статического катка или эквивалентная динамическая сила вальца виброкатка для слоя 3 см должна быть меньше в 1,5 раза, чем для слоя 7 см. Отсюда очевиден возможный разнобой в качестве уплотнения таких слоев одним и тем же катком.

И, наконец, третий недостаток касается непосредственно устройства самих виброкатков. В свое время, когда статическая технология укатки была единственной, задача качественного уплотнения асфальтобетона, непрерывно наращивающего свою плотность и снижающего температуру в процессе укатки и потому требующего постепенного возрастания силового воздействия статического катка, решалась простой сменой легкой его модели на более тяжелую, а затем на еще более тяжелую. Подобная смена производилась на каждой стадии уплотнения (предварительная, основная, заключительная).

Виброкаток тандемный BW 174AD фирмы Bomag для уплотнения асфальтобетона.

Виброкаток тандемный BW 174AD фирмы Bomag для уплотнения асфальтобетона.

Однако ученые и инженеры нашли оригинальную и разумную альтернативу такой технологии и статическим каткам. Вместо смены легкого типа статического катка на более тяжелые модели был предложен виброкаток, динамическое воздействие которого служило приемлемым эквивалентом более тяжелому катку. Виброкаток с двумя различными режимами вибрации, с точки зрения силового воздействия на уплотняемый материал, являл собой как бы три статических катка в одной конструкции – статический (без вибрации), вибрационный со слабым режимом колебаний вальца и вибрационный с сильным режимом колебаний.

К сожалению, устройством существующих виброкатков не предусмотрено плавное или дискретное, но постепенное повышение центробежной силы вибровозбудителя сообразно нарастанию плотности и прочности асфальтобетона и снижению его температуры, как это имеет место при смене статических катков. При включении вибровозбудителя катка эта сила тут же приобретает постоянное и максимальное значение, соответствующее каждому режиму вибрации, хотя с точки зрения качества уплотнения асфальтобетона, надобности сразу в таком максимальном ее значении нет никакой.

В начальной фазе виброукатки с такой центробежной силой (сразу за укладчиком), когда асфальтобетон еще горячий и не очень плотный, динамические силовые воздействия вальцов катка, как правило, оказываются излишне чрезмерными и могут сопровождаться не столько уплотнением, сколько разуплотнением, сдвигами и даже разрушением приповерхностной зоны слоя.

Избежать этого можно некоторым охлаждением смеси, но лучше и полезнее выполнить ее подкатку 2–3 проходами этого же виброкатка в статическом режиме и лишь после этого включать вибрацию. Грамотные и опытные дорожники часто пользуются таким приемом.

Куда серьезнее и негативнее по своим последствиям для качества асфальтобетонного покрытия может оказаться последняя фаза его виброуплотнения. За счет упругой отдачи поверхности уже почти плотного и заметно остывшего слоя смеси реальная амплитуда колебаний вальца, а наравне с ней его реальная центробежная сила возрастают до 2–2,5 раз (инструментальные замеры). Соответствующим образом повышается и общая динамическая сила воздействия вальца катка на смесь, растут его контактные давления. Причем, рост этих давлений почти всегда опережает рост прочности асфальтобетона и особенно быстро у чрезмерно динамичных виброкатков.

Виброкаток тандемный DD-90 фирмы Ingersoll-Rand-ABG.

Виброкаток тандемный DD-90 фирмы
Ingersoll-Rand-ABG.

Этот очевидный недостаток виброкатков может, как и на начальной фазе виброуплотнения, стать причиной возможного разуплотнения или даже разрушения асфальтобетона. К тому же никто не может предсказать, в какой момент виброукатки контактные давления вальцов и прочность асфальтобетонной смеси на сжатие сравняются, чтобы сразу отключить вибрацию. Некоторые фирмы рекомендуют это делать после 4–6, другие – после 6–8, а третьи – даже после 8–10 проходов виброкатка.

У статических катков такого недостатка (опасной перегрузки асфальтобетона) нет, потому что рост их контактных давлений постепенно отстает от роста прочности уплотняемого материала, что, правда, порождает свой недостаток статических катков – непрерывное, по мере выполнения процесса укатки, снижение их уплотняющей эффективности. Это и вынуждает периодически прибегать к смене работающего катка на более тяжелый.

Силовое воздействие статического катка на уплотняемый материал установить не представляет особых трудностей. Оно равно силе веса катка под каждым вальцом Qв. У виброкатков определить такую силу гораздо сложнее.

В соответствии с импульсной теорией и законом земного тяготения общая сила R0 кратковременного воздействия вальца виброкатка на уплотняемую поверхность должна состоять из двух частей – постоянной силы веса катка под вальцом Qв и переменной по величине динамической Rв, создаваемой вибровозбудителем катка совместно с уплотняемым материалом, а точнее с его упругой отдачей:

R0 = Qв + Rв = Qв + a0 · τ · P0 (1)

где P0 – центробежная сила вибровозбудителя вальца;

a0 = A0/A – относительная амплитуда колебаний вальца или отношение реальной амплитуды A0 к номинальной A (расчетной, паспортной);

τ = T/4Θ – относительное время перехода от импульса силы к самой силе вибровоздействия (рис. 1);

T = 1/ƒ – период колебаний вальца с частотой ƒ (Гц);

Θ – время действия сил Rв и R0.

Параметры периодического импульса силы при уплотнении асфальтобетона виброкатком.

Рис. 1. Параметры периодического импульса силы при уплотнении асфальтобетона виброкатком.

На основе имеющегося в России решения задачи о колебаниях виброударного жесткого штампа (валец, плита) на линейно-деформируемом ограничителе (уплотняемый материал) получена зависимость для определения относительного (в долях периода Т) времени воздействия на материал силы Rв и соответственно общей силы R0

(2)

где δos– полная статическая осадка поверхности материала, вызываемая вальцом катка под действием его силы тяжести Qв.

В соответствии с теорией колебаний физический смысл (2) состоит в том, что время Θ у вибрирующего вальца вокруг нейтральной оси статического равновесия 0–t (рис. 2) зависит от величины натяга (осадки) –δos и величины реальной амплитуды колебаний.

Изменение величины δos, определяющей положение оси 0–t относительно поверхности ограничителя c–d, а также изменение амплитуды A0 (см. пунктир на рис. 2) сразу же отражаются на Θ через обратную тригонометрическую функцию (2). Соответственно сказывается это и на динамической составляющей Rв силы R0. В частности, с повышением в процессе работы катка плотности асфальтобетона и снижением его температуры величина δos все время уменьшается, а амплитуда A0 возрастает, вследствие чего отношение δos/A0 становится все меньше и меньше. Но в силу особенностей обратной тригонометрической функции изменение Θ/T периодически происходит только в пределах 0,5÷1,0 и отсюда 0,25 ≤ τ ≤ 0,50. Поэтому Rв может иметь значения от (0,25÷0,50)P0 при a0=1 до (0,5÷1,0)P0 при a0=2 и даже до (0,60÷1,20) при a0=2,4.

Схема зависимости времени контакта Θ колеблющегося вальца с ограничителем от его амплитуды A<sub>0</sub> и статической осадки δ<sub>os</sub> ограничителя.

Рис. 2. Схема зависимости времени контакта Θ колеблющегося вальца с ограничителем от его амплитуды A0 и статической осадки δos ограничителя.

Расчеты сил Rв и R0 нескольких десятков реальных виброкатков ведущих мировых фирм для начальной (a0=1,0÷1,1) фазы виброуплотнения асфальтобетона слоями различной толщины, для середины (a0=1,5) и конца (a0=2,0÷2,1) этой операции показали, что среднее значение τ за весь цикл виброуплотнения близко к 0,37÷0,39, хотя пределы его изменения были в диапазоне от 0,27÷0,28 до 0,47÷0,49.

Для начальной ориентировочной оценки силы воздействия R0 вальцов любого виброкатка и коэффициента его динамичности Kd или для сравнения уплотняющих сил нескольких виброкатков между собой на любой из фаз виброуплотнения асфальтобетона можно, в соответствии с принятыми τcp и a0, определять R0 и Kd по следующим зависимостям:

   (3)

Однако значений одной только действующей на уплотняемый материал силы вальца катка R0 еще недостаточно для полного представления о функциональной его полезности, для оценки его уплотняющей эффективности или для заключения о его пригодности выполнить эту важную операцию качественно на конкретном объекте. Для этого необходимо знать те контактные давления и деформации (осадки) под вальцом, которые создает каток на поверхности уплотняемого материала, и сравнивать их с прочностными и допускаемыми деформативными показателями самого материала.

Схема возникающих под вальцом катка контактных давлений и деформаций (осадок) уплотняемого слоя асфальтобетона.

Рис. 3. Схема возникающих под вальцом катка контактных давлений и деформаций (осадок) уплотняемого слоя асфальтобетона.

На основе теории упругости и пластичности и в соответствии с механикой взаимодействия криволинейного штампа (валец катка) с линейно деформируемым материалом получена зависимость, по которой можно определять максимальные значения интересующих контактных давлений (рис. 3)

(4)

где R0 – амплитуда или максимальная сила воздействия вальца катка на материал; для статических катков R0=Qв, для вибрационных R0 по (1);

E0 – общий модуль деформации материала в момент его уплотнения;

h0 – толщина слоя уплотняемого материала (начальная);

B, D – соответственно ширина и диаметр вальца.

С целью выяснения раздельного влияния на контактные давления параметров катка и показателей свойств материала выражение (4) с учетом теории подобия и размерностей преобразовано в иной вид

(5)

где ΔE=1 кгс/см2 и Δh=1 см – единичные значения модуля деформации уплотняемого материала и толщины его слоя.

Эти единичные значения использованы для того, чтобы размерность показателя pk оказалась в кгс/см2, кПа или иных единицах давления, а последнее подкоренное выражение в (5) было бы безразмерным и фактически отражало бы относительную жесткость уплотняемого слоя материала.

В последующем для упрощения вида и написания формул (5), (6) или других им подобных символы ΔE и Δh с их единичными значениями удобно и можно опустить, но следует при этом соблюдать соответствующую размерность других входящих в эти формулы параметров и не забывать об этом.

В (5) символом pk обозначен конструктивный (зависит только от параметров конструкции катка) показатель уплотняющей способности катка (в статике pks, при вибрации или в динамике pkd) или попросту индекс его средних контактных давлений на слой асфальтобетона толщиной 1 см с условным модулем деформации самого асфальтобетона 1 кгс/см2.

В соответствии с (5) этот индекс можно вычислить достаточно просто

(6)

При подстановке в (6) R0 в кгс, В и D в см, ΔE в кгс/см2 и Δh в см, значение pk получается в кгс/см2, легко переводимые, к примеру, в кПа или МПа.

Показатели pks и pkd универсальны и удобны тем, что они ставят все катки, вне зависимости от их размеров, веса и вибрационных параметров, в одинаковые функциональные условия их работы и поэтому эти показатели объективно отражают имеющиеся различия катков. По этим показателям легко можно подбирать нужные их образцы для конкретных условий работы, используя (5) и данные уплотняемого материала на любой из стадий или фаз укатки (толщина слоя, предел прочности на сжатие, модуль деформации).

Критерием успешного уплотнения, в частности, асфальтобетона должно служить условие (см. каталог-справочник «Дорожная техника и технология» за 2003 год)

(7)

где σkp=(0,65÷0,75)σp , причем меньшие и средние значения используют для малощебенистых и песчаных смесей, а средние (0,70) и большие (0,75) – для щебенистых смесей типов А и Б;

σp – предел прочности (разрушения) асфальтобетонной смеси в момент ее укатки;

σkp – критические контактные давления, при превышении которых в асфальтобетоне начинают развиваться недопустимые пластические сдвиги, трещины и тому подобные дефекты, легко видимые иногда при укатке покрытия.

Можно использовать и другое аналогичное условие через предельные величины деформации слоя 0] или его осадки 0] (здесь ΔE и Δh опущены)

(8)

(9)

где ε0, δ0 – полная (упругая и остаточная) статическая через pks или динамическая через pkd деформация или осадка слоя асфальтобетона толщиной h0.

Если известны толщина слоя, модуль деформации асфальтобетона и хотя бы еще одна из трех его характеристик – σp, [ε0] или 0], тогда по (7), (8) или (9) можно найти требуемые значения pks> и pkd статического или вибрационного катка для практической реализации эффективного и качественного его уплотнения.

И уже по найденным pks и pkd можно подбирать нужный каток из числа имеющихся или конструировать новый образец.

К сожалению, из российских и зарубежных литературных источников надежных и нужных сведений о прочностных и деформативных свойствах и показателях горячего асфальтобетона в различные моменты и фазы его уплотнения собрать не удалось.

Правда, имеются нормативные значения требуемых показателей прочности асфальтобетона на сжатие при +50; +20 и 0°С, получаемых в лабораторных испытаниях цилиндрических образцов при скоростях деформирования 3; 10; 50 и даже 100 мм/мин. Результаты таких испытаний пригодны в основном для относительного сравнения и оценки изменения свойств асфальтобетона и выявления влияния на них его гранулометрического состава, типа и количества битума, различного рода добавок и модификаторов. Использовать такие данные для решения задач по уплотнению асфальтобетона в покрытии катками невозможно по целому ряду причин.

Во-первых, скорости деформирования лабораторного образца асфальтобетона, существенным образом влияющие на значения прочности (табл. 1, по экспериментам в стабилометре проф. Пермякова В. Б.) и модуля деформации, слишком малы по сравнению с подобными реальными скоростями под вальцами статических (до 2000–3000 мм/мин) и вибрационных (до 5000–6000 мм/мин) катков.

Таблица 1
Скорость деформирования асфальтобетона, мм/мин 3 18 100
Предел прочности на сжатие (кгс/см2) при температуре 100°С
и коэффициенте уплотнения
0,80–0,82
(80÷82%)
1,5 5,0
1,0
(100%)
5,8 22,4

Во-вторых, нормативные данные не охватывают тот диапазон температур (140–60°С), в рамках которого ведется укатка асфальтобетона в покрытии. И наконец, в-третьих, лабораторные испытания выполняются по схеме одноосного сжатия на прессе свободно стоящего цилиндрического образца, а под вальцом катка асфальтобетон деформируется по схеме двухосного сжатия, да еще и с некоторым одновременным его поверхностным сдвигом. Это нужно учитывать для правильной интерпретации экспериментальных результатов и соответствующего выбора значений модуля деформации уплотняемого в дороге асфальтобетона.

И все же, есть ряд экспериментальных результатов (проф. Хархута Н. Я., Пермяков В. Б. и другие), по которым можно полагать следующие сведения более или менее надежными:

  • прочность уплотняемой асфальтобетонной смеси от начала (плотность около 0,90–0,91 и температура 135–130°С) до конца этой операции (плотность примерно 0,99–1,0 при температуре 75–70°С) возрастает в 3,5–4,0 раза, а модуль деформации – в 13–15, а иногда и более раз;
  • начальная для укатки прочность на сжатие щебенистого асфальтобетона очевидно близка к 7,5–8,0 кгс/см2, а в конце этой операции – к 29–34 или в среднем 30–32 кгс/см2, что и дает указанное увеличение прочности в 3,5–4 раза;
  • начальное значение модуля деформации того же щебенистого асфальтобетона и тоже сразу за асфальтоукладчиком может составлять 60–80 кгс/см2, а в конце операции уплотнения – примерно 900–1100 кгс/см2;
  • для практической реализации технологии высококачественного и эффективного уплотнения щебенистого асфальтобетона в покрытии максимальные контактные давления вальцов статических и вибрационных катков не должны быть больше так называемых критических значений, равных 5,5–6,0 кгс/см2 (начало укатки) и 22–23 кгс/см2 (конец укатки) на слоях любой толщины, так как прочностные и деформативные свойства самого асфальтобетона в слоях, к примеру, 3 и 12 см остаются одними и теми же;
  • при устройстве покрытий из малощебенистых и песчаных смесей критические контактные давления катков следует снизить на 15–20%, т. е. они должны быть в пределах 4,5–5,0 (начало уплотнения) и 18–20 кгс/см2 (конец укатки), а значения их модулей деформации подлежат такой же корректировке;
  • приведенным ориентировочным значениям пределов прочности щебенистого асфальтобетона соответствуют предельные величины вертикальных деформаций и осадок слоя, по опытам в стабилометре, доходящие, при однократном или одноцикловом нагружении, до 4,5–5,0%, однако с учетом сдвиговых волнообразований поверхности под вальцами катков величины допустимых деформаций следует, очевидно, увеличить до 5,5–6,0% для начальной и примерно до 1,0–1,5% для завершающей стадии укатки.

Все эти данные послужили основой для определения оптимальных значений индекса контактных давлений статических катков pks для уплотнения щебенистых асфальтобетонов слоями различной толщины, имеющих в процессе их укатки разную плотность и соответствующую температуру в интервале от 135–130 до 75–70°С (рис. 4).

Для перевода статического pks в эквивалентное динамическое pkd можно воспользоваться отношениями pkd/pks, учитывающими реологию асфальтобетона и равными 1,03 для начала, 1,06 для середины и примерно 1,09–1,10 для конца укатки, что дает разницу между общими статическими и динамическими силами воздействия на один и тот же уплотняемый слой асфальтобетона соответственно в 5, 9 и 14–15%.

Функциональная оценка и практический подбор катков, осуществляемые фирмой «ВАД» в течение последних двух лет по оптимальным значениям pks и pkd (рис. 4) для конкретных толщин слоев асфальтобетона на своих объектах, полностью себя оправдали и позволили стабильно реализовывать высокие показатели плотности покрытия.

Оптимальные значения индекса контактных давлений статического гладковальцового катка в зависимости от толщины слоя и плотности щебенистого асфальтобетона типов А и Б.

Рис. 4. Оптимальные значения индекса контактных давлений статического гладковальцового катка в зависимости от толщины слоя и плотности щебенистого асфальтобетона типов А и Б.

Покупка новых моделей виброкатков тоже производится фирмой по изложенной методологии. Большинство выпускаемых за рубежом таких моделей имеют показатели уплотняющей способности или индексы контактных давлений для оптимальных слоев 6–9 см и больше, которые являются преобладающими при устройстве асфальтобетонных покрытий в Европе и Америке. В России же в основном пока укладывают слои 4–6 см и редко чуть больше. Поэтому зачастую приобретаемые россиянами зарубежные виброкатки по своим статическим и динамическим параметрам не всегда и не во всем оказываются подходящими и эффективными.

В 2004 г. ЗАО «ВАД» приобрело виброкатки HD75 фирмы Hamm именно потому, что они имеют оптимальную толщину уплотняемого слоя 4–5 см. Это как раз то, что сейчас нужно многим подрядчикам российской дорожной отрасли, о чем свидетельствуют положительные отзывы и отклики тех из них, кому фирмой «ВАД» было рекомендовано приобрести HD75.

Тандемный виброкаток HD 75 фирмы Hamm для уплотнения слоев 4–6 см

Тандемный виброкаток HD 75 фирмы Hamm для уплотнения слоев 4–6 см

Каждый из существующих сегодня вибрационных или статических катков в соответствии со своими значениями pks и pkd имеет вполне конкретную оптимальную толщину уплотняемого слоя, на котором он способен обеспечить самое высокое качество. Его использование на слоях иной толщины приводит к снижению этого качества и тем значительнее, чем больше разница между толщинами оптимальных и реальных слоев. Правда, при небольшой разнице в этих слоях потерю качества можно частично компенсировать увеличением работы (количества проходов) катка. Но это будет возможно в основном на слоях несколько больших оптимального, а на заметно меньших слоях такой компенсации не будет.

В табл. 2 приведены расчетные значения контактных давлений на различных фазах статического и вибрационного уплотнения щебенистого асфальтобетона двумя катками – HD75 и СС422, которые эксплуатируются ЗАО «ВАД» и для которых оптимальные толщины слоев составляют соответственно 4–5 и 7–8 см. Данные таблицы свидетельствуют, что при укатке своих оптимальных слоев этими различными по параметрам виброкатками их статические контактные давления оказываются полностью совпадающими на любой фазе уплотнения, а динамические давления хотя и достаточно близки между собой, но имеют все же некоторую разницу, особенно в середине и в конце виброукатки, что объясняется неадекватностью их вибрационных параметров.

Таблица 2(1)
Примерное состояние
асфальтобетонной смеси
на различных фазах
статического
или вибрационного
ее уплотнения
Hamm НD75 на слое 4–5 см
статика вибрация
pks,
кгс/см2
δos,
мм
R0=Qв,
тс
σos,
кгс/см2
pkd,
кгс/см2
δod,
мм
R0=
Qв+Rв,
тс
σod,
кгс/см2
После укладчика
Kу0=0,91; E0≈60 кг/см2
1,65 2,73 3,8 5,9 2,38 3,93 6,6 8,5
После статич. Подкатки
Kу0=0,94; E0≈135 кг/см2
1,65 1,59 3,8 7,7 2,21 2,13 5,9 10,3
Середина уплотнения
Kу0=0,96–0,97;
E0≈310 кг/см2
1,65 0,91 3,8 10,2 2,71 1,50 8,0 16,7
Ближе к концу укатки
Kу0=0,98–0,99;
E0≈615 кг/см2
1,65 0,58 3,8 12,8 2,45 0,86 6,9 19,0
Завершение укатки
Kу0=0,99–1,0;
E0≈850 кг/см2
1,65 0,47 3,8 14,2 2,71 0,77 8,0 23,3

Таблица 2(2)
Примерное состояние
асфальтобетонной смеси
на различных фазах
статического
или вибрационного
ее уплотнения
Dynapac CC422 на слое 7–8 см
статика вибрация
pks,
кгс/см2
δos,
мм
R0=
Qв,
тс
σos,
кгс/см2
pkd,
кгс/см2
δod,
мм
R0=
Qв+Rв,
тс
σod,
кгс/см2
После укладчика
Kу0=0,91; E0≈60 кг/см2
1,95 4,53 5,2 5,9 2,55 5,93 7,8 7,7
После статич. Подкатки
Kу0=0,94; E0≈135 кг/см2
1,95 2,64 5,2 7,7 2,61 3,53 8,1 10,3
Середина уплотнения
Kу0=0,96–0,97;
E0≈310 кг/см2
1,95 1,52 5,2 10,1 2,74 2,13 8,7 14,2
Ближе к концу укатки
Kу0=0,98–0,99;
E0≈615 кг/см2
1,95 0,96 5,2 12,7 3,19 1,57 10,9 20,8
Завершение укатки
Kу0=0,99–1,0;
E0≈850 кг/см2
1,95 0,78 5,2 14,2 2,89 1,15 9,4 21,0



Тандемный виброкаток CC422 фирмы Dynapac с увеличенным диаметром вальцов (1300 мм)

Тандемный виброкаток CC422 фирмы Dynapac с увеличенным диаметром вальцов (1300 мм)


Еще более наглядным в этом плане является соревнование (или испытание) трех виброкатков фирм Bomag (каток BW174AD), Dynapac (СС422HF) и Hamm (DV 08V), устроенное известной шведской фирмой NCC в сентябре 2002г. в г. Мальме (Швеция). Каждый из этих виброкатков имел свою специфическую конструктивную особенность. В частности, BW174AD имеет один вибровалец с обычными круговыми колебаниями, а другой – с направленными колебаниями, вектор которых можно изменять. У СС422HF оба вальца совершают круговые колебания, но с повышенной частотой (62 Гц против 50 Гц у других катков).

Виброкаток Hamm оснащен передним вальцом с круговыми колебаниями, а задний совершает осцилляторные (вращательные) колебания, создавая нагружение материала по принципу «сжатие + реверсивный сдвиг».

Каждый из катков имел свой участок работы длиной 30 м и шириной 4 м. Все они перемещались с одинаковой рабочей скоростью и совершали одинаковое количество проходов. Степень уплотнения измерялась после 2, 4, 6 и 8 проходов неразрушающим методом с помощью электронного инструмента Pavement Densig Meter (PDM). Уплотнялись слои покрытия двух толщин – 70 мм (нижний слой из асфальтобетона типа Viacobase) и 30 мм (верхний слой из асфальтобетона типа АВТ-11).

Тандемный виброкаток фирмы Bomag

Тандемный виброкаток фирмы Bomag

По итогам этих своеобразных состязаний трех катков на слое 3 см первое место эксперты отдали катку Bomag, как наиболее быстро достигшему оптимальной степени уплотнения, а на слое 7 см первенство досталось катку Hamm, как имеющему, по оценкам экспертов, более щадящие режимы уплотнения и обеспечивающему лучшую структуру поверхности укатки (лучшая отделка).

Наиболее благоприятный общий итог (на слоях 3 и 7 см) и ожидаемую победу эксперты присудили виброкатку DV 08V фирмы Hamm.

Чтобы объяснить и понять полученные результаты и заключения экспертов, целесообразно обратиться к данным табл. 3, в которой приведены расчетные статические и динамические силовые параметры этих катков при уплотнении слоев 3 и 7 см, в том числе контактные давления их вальцов.

Таблица 3(1)
Слой
смеси,
см
Модель
Виброкатка
Начало виброукатки,
T=133–130°C; E0≈55–65 кгс/см2
pks,
кгс/см2
pkd,
кгс/см2
R0
тс
σos,
кгс/см2
σod,
кгс/см2
3 Bomag
BW174AD
1,88 2,41 7,0 7,3 9,4
Dynapac
CC422HF
1,95 2,86 9,2 7,6 11,2
Hamm
DV 08V
1,90 2,54 7,5 7,4 9,9
7 Bomag
BW174AD
1,88 2,29 6,4 5,6 6,8
Dynapac
CC422HF
1,95 2,55 7,8 6,3 7,7
Hamm
DV 08V
1,90 2,82 8,7 5,7 8,3

Таблица 3(2)
Слой
смеси,
см
Модель
Виброкатка
Середина виброукатки,
T=105–100°C; E0≈300–320 кгс/см2
pks,
кгс/см2
pkd,
кгс/см2
R0
тс
σos,
кгс/см2
σod,
кгс/см2
3 Bomag
BW174AD
1,88 2,51 7,4 12,8 17,1
Dynapac
CC422HF
1,95 2,68 8,4 13,3 18,3
Hamm
DV 08V
1,90 3,05 9,8 13,0 20,8
7 Bomag
BW174AD
1,88 2,55 7,6 9,6 13,1
Dynapac
CC422HF
1,95 2,96 9,7 10,0 15,2
Hamm
DV 08V
1,90 3,0 9,5 9,7 15,4

Таблица 3(3)
Слой
смеси,
см
Модель
Виброкатка
В конце виброукатки,
T=90–85°C; E0≈600–630 кгс/см2
pks,
кгс/см2
pkd,
кгс/см2
R0
тс
σos,
кгс/см2
σod,
кгс/см2
3 Bomag
BW174AD
1,88 2,84 8,9 16,3 24,7
Dynapac
CC422HF
1,95 2,96 9,8 17,0 25,8
Hamm
DV 08V
1,90 3,22 10,6 16,5 28,0
7 Bomag
BW174AD
1,88 2,45 7,1 12,3 16,1
Dynapac
CC422HF
1,95 3,17 10,8 12,8 20,8
Hamm
DV 08V
1,90 3,59 12,5 12,5 23,5




Наименьшие значения последних на обоих слоях имеет виброкаток Bomag, наибольшие – самый динамичный Hamm, а виброкаток Dynapac занимает промежуточное положение. В статическом режиме работы катка Bomag оптимальный слой уплотнения составляет примерно 6,5 см, а с вибрацией (середина виброукатки) – только 5 см. Очевидно, поэтому этот каток лучше (быстрее) других уплотнял слой 3 см и, вероятнее всего, хуже других слой 7 см, на котором его контактные динамические давления составляют в конце операции всего 16 кгс/см2 при потребных 22–23 кгс/см2.

Один из серии тандемных виброкатков DV фирмы Hamm с двойной вибрацией – передний валец с обычными круговыми, а задний – с осцилляторными (вращательными) колебаниями.

Один из серии тандемных виброкатков DV фирмы Hamm с двойной вибрацией – передний валец с обычными круговыми, а задний – с осцилляторными (вращательными) колебаниями.

Для виброкатка Dynapac в статике оптимальный слой равен 7 см, а при вибрации – около 8 см, т. е. для эффективного и высококачественного уплотнения слоя 3 см он явно не очень пригоден, о чем и свидетельствуют значительные величины его динамических контактных давлений – около 26 кгс/см2 в конце укатки. На слое 7 см результат работы катка Dynapac мог быть заметно лучше, если бы его рабочая скорость соответствовала высокой частоте колебаний вальца (62 Гц), т. е. была бы выше на 25–30%, чем у других виброкатков, а количество его проходов при двух вибрирующих вальцах не превышало 4–6.

У виброкатка Hamm оптимальный слой уплотнения должен быть 6,5–7,0 см при статической укатке и около 9–9,5 см при работе с вибрацией. Его контактные динамические давления на слое 3 см чрезмерно высоки (28 кгс/см2 в конечной фазе уплотнения), а на слое 7 см они меньше и ближе к рекомендуемым, исходя из прочности асфальтобетона. К тому же следует иметь в виду, что у этого катка главную работу по деформированию (уплотнению) слоя асфальтобетона выполнял только один передний валец с круговыми колебаниями, а задний с осцилляторными реверсивными движениями и с более мягкими и меньшими силовыми нагружениями являл собой своеобразного «санитара», сразу же залечивающего различного рода «ранки» и исправляющего поверхностные дефекты (разуплотнения, сдвиги, трещины), возникающие от перегрузок асфальтобетона передним вальцом. Об этом свидетельствует двухлетний опыт эксплуатации фирмой «ВАД» подобного осцилляторного виброкатка HDO75V той же фирмы Hamm. Очевидно, это и предопределило решение экспертов отдать общую пальму первенства катку Hamm.

Примерно таким же путем (оперативное исправление потенциальных дефектов укатки, т. е. того, что испорчено или недоработано виброкатком) фирма «ВАД» решила минимизировать последствия несовершенства имеющихся виброкатков и недостатков технологии уплотнения ими горячих асфальтобетонных смесей в покрытии. Для этого была разработана новая или, точнее, усовершенствованная модификация этой технологии. Суть ее состоит в двух принципиальных изменениях по сравнению с реально применяемой повсеместно в мире технологией:

  • каждый статический или вибрационный каток в обязательном порядке подбирается по индексу контактных давлений для конкретной толщины укладываемого слоя в покрытие и состояния асфальтобетонной смеси по плотности и температуре в любой момент или на любой фазе и стадии ее укатки;
  • пока виброкатки по своим функционально-технологическим параметрам и свойствам еще не стали самыми оптимально эффективными и совершенными средствами уплотнения асфальтобетона, необходимо вслед за каждым из них использовать статический гладковальцовый каток тяжелого типа с контактными давлениями, соответствующими толщине слоя и состоянию асфальтобетона на завершающей стадии его укатки.

Помимо «санитарной» функции тяжелый статический каток призван своей работой на завершающей стадии довести плотность асфальтобетонного покрытия до более высокого уровня, чем минимально требуемый по нормам ГОСТ и СНиП (для щебенистых смесей не менее 0,99, или 99%). И еще очень важную и полезную работу совершает этот каток, осуществляя силовой тренинг асфальтобетона и формируя сразу более прочную (на 25–30%) и устойчивую его структуру, что позитивным образом отражается на его долговечности. Нечто подобное производят колеса автотранспорта в первые годы эксплуатации покрытия. Аналогичную картину имеет дорожник после нескольких десятков проходов тяжелого статического катка или после сотен проездов груженого автотранспорта по щебеночному основанию, формирование улучшенной структуры которого повышает его модуль упругости в несколько раз.

Катки вибрационные HD 75 и статические CS 141/142 уплотняют асфальтобетон по новой технологии ЗАО «ВАД».

Катки вибрационные HD 75 и статические CS 141/142 уплотняют асфальтобетон по новой технологии ЗАО «ВАД».

Для практической реализации этой усовершенствованной технологии на всех своих объектах 2004 г. к имеющимся более чем трем десяткам пневмоколесных и вибрационных катков ЗАО «ВАД» дополнительно приобрело уже упоминавшиеся два виброкатка HD75 и еще пять статических катков CS 141/CS 142 Dynapac.

Последние катки дают возможность за счет балласта изменять их общий вес в пределах 10,8–13 т, что позволяет эффективно вести укатку щебенистого асфальтобетона на завершающей стадии слоями толщиной от 4–5 до 7–8 см.

Каждый отряд уплотняющей техники за укладчиком для полосы укладки шириной до 4,5–5 м в фирме «ВАД» формируется из двух катков – вибрационного с соответствующими весовыми и вибрационными параметрами сообразно толщине слоя устраиваемого покрытия и статического CS 141/CS 142 с предварительно подготовленным его общим весом для той же толщины укладываемого слоя.

Обычно виброкаток сначала в статическом режиме выполняет за 2–3 прохода предварительную подкатку горячей смеси, после чего включает вибратор и совершает 4–6 проходов в динамическом режиме уплотнения. Причем, для повышения ровности покрытия проходы с вибрацией выполняются при его перемещении от укладчика, т. е. с наиболее горячей смеси в сторону частично уже остывшей, что снижает накат сдвиговой волны. Перемещение катка к укладчику идет без вибрации. Таким образом, виброкаток в статике и с вибрацией выполняет в общей сумме не менее 8–10 проходов, реализуя основной свой потенциал по уплотнению слоя асфальтобетона. Вслед за виброкатком свою работу совершает и статический каток тяжелого типа за 4–8 проходов по следу, но на несколько меньшей рабочей скорости (3–4 км/ч), чем виброкаток.

По такой технологии устроены асфальтобетонные покрытия на всех объектах ЗАО «ВАД» в 2004г. (212 км, приведенных к ширине 8 м), в том числе в октябре верхние слои толщиной 5–7 см на 10,5 км кольцевой автомобильной дороги (КАД) г. Санкт-Петербурга и на примыкании к ней со стороны проспекта Энгельса. Контроль качества покрытия независимой экспертизой показал, что коэффициент уплотнения асфальтобетона в 95% отбуренных кернов имел значения 1,0–1,02 (100–102%) и только в 5% в пределах 0,995–1,0 (99,5–100%).

На рис. 5 дано графическое распределение значений коэффициента уплотнения асфальтобетона нижних и верхних слоев покрытий на всех 63 км двух федеральных дорог «Кола» (Санкт-Петербург–Мурманск) и А114 (Вологда–Нов. Ладога), которое также подтверждает высокую эффективность и надежность усовершенствованной технологии уплотнения, гарантирующую устойчивую реализацию более высоких показателей качества уплотнения, чем минимально требуемые по нормам.

Практические значения коэффициента уплотнения (K<sub>у</sub>) асфальтобетона нижних (а) и верхних (б) слоев покрытий на 63 км двух федеральных дорог, устроенных в 2004 г. по новой технологии укатки.

Рис. 5. Практические значения коэффициента уплотнения (Kу) асфальтобетона нижних (а) и верхних (б) слоев покрытий на 63 км двух федеральных дорог, устроенных в 2004 г. по новой технологии укатки.

На рис. 6 тоже показано качество уплотнения верхнего слоя покрытия толщиной 4 см из асфальтобетона типа Б на всех 12 км одной из территориальных дорог Карелии. Примечательно, что при полном составе отряда катков за укладчиком (для новой технологии уплотнения на ширине 8м использовались два вибрационных и два тяжелых статических) плотность асфальтобетона оказалась в диапазоне 0,99–1,01 (кривая 1). Стоило мастеру из-за поломки временно убрать один виброкаток с полосы укатки, как показатели плотности на этом участке сразу же существенным образом ухудшились до фактического брака (кривая 2).

Качество уплотнения верхнего слоя 4 см из асфальтобетона типа Б на 12 км одной из территориальных дорог.

Рис. 6. Качество уплотнения верхнего слоя 4 см из асфальтобетона типа Б на 12 км одной из территориальных дорог.

Несмотря на очевидные достоинства и преимущества технологических нововведений ЗАО «ВАД», сегодня, даже при имеющемся многообразии моделей и типоразмеров виброкатков разных фирм и стран, бывает достаточно сложно и трудно выбрать нужный образец с такими значениями pks и pkd, которые бы более или менее точно соответствовали конкретной толщине уплотняемого слоя.

Есть виброкатки легкие с малыми значениями pks, но чрезвычайно динамичные в вибрационном режиме, обеспечивающем высокое pkd. Наоборот, можно найти тяжеловесные модели (высокий pks), но с менее «агрессивным» (слабым) вибрационным режимом (низкое pkd). Как правило, и то, и другое плохо для качества уплотнения асфальтобетона. Значения этих статических и вибрационных параметров должны быть адекватны друг другу, соответствовать толщине слоя и состоянию асфальтобетона по плотности и температуре той фазы укатки, на которой «трудятся» pks и pkd.

Кроме того, они взаимозависимы друг от друга и не могут быть назначены произвольно. Эти показатели являются как бы «равноправными и гармонично дополняющими друг друга членами одной команды силовых воздействий виброкатка», совместно обеспечивающими требуемое качество уплотнения асфальтобетона.

Целесообразный выход из имеющихся сложностей по реализации и внедрению новых подходов в технологии укатки асфальтобетона, который используют специалисты ЗАО «ВАД», состоит в объединении нескольких близких слоев по толщине в определенную группу, в которой отклонение от среднего значения толщины не будет превышать ±0,5 см (малые толщины) и ±1,0 см (более толстые слои). Нужный для всей группы виброкаток с соответствующими pks и pkd подбирается по средней толщине группы, а практическое уплотнение асфальтобетона этим катком выполняется на всех слоях, входящих в группу.

В табл. 4такие группы слоев приведены вместе с найденными для них по графикам рис. 4 значениями оптимальных pks и pkd. В качестве примера здесь же даны результаты расчетов потребных значений силовых параметров трех типоразмеров виброкатков для эффективной укатки щебенистых асфальтобетонов средними слоями от 3 до 12 см. Эти данные показывают, что с ростом толщины слоя в 4 раза значения силовых показателей, в том числе и общий вес виброкатка, должны быть увеличены в 2 раза.

Таблица 4
Толщина слоя
уплотнения
щебенистого
асфальто-бетона,
см
Фаза
статического
и вибрационного
уплотнения
Оптимальный
индекс
контактных
давлений,
кгс/см2
Силы воздействия виброкатка с вальцами (В × D, мм)
1450×1140 1680×1200 2140×1400
Q, т Rod, тс P0, тс Q, т Rod, тс P0, тс Q, т Rod, тс P0,тс
2,5÷3,5;
в среднем 3,0
Начало статикой pks=1,45–1,50 5,5 6,5 9
Середина виброукатки pkd=2,10 4,7 3,6 5,5 4,1 7,6 5,6
5,0÷7,0;
в среднем 6,0
Начало статикой pks=1,80–1,82 7,5 9 12,3
Середина виброукатки pkd=2,65 6,7 5,4 8 6,4 10,9 8,7
8,0÷10,0;
в среднем 9,0
Начало статикой pks=2,10–2,12 9,5 11,3 15,5
Середина виброукатки pkd=3,0 8,1 6,1 9,7 7,2 13,2 9,9
11,0÷13,0;
в среднем 12,0
Начало статикой pks=2,31–2,33 11 13 18
Середина виброукатки pkd=3,28–3,30 9,4 7,2 11 8,2 15,2 11,2

Примечание. Q – общий вес катка; Rod – общая сила динамического воздействия вальца катка; P0 – центробежная сила вибровозбудителя вибровальца.


Конечно, ранее (2002–2003гг.) предложенная специалистами ЗАО «ВАД» идея создать универсальный виброкаток с регулируемыми общим весом и динамическими силами для уплотнения различных по толщине слоев асфальтобетона явно трудно реализуема для диапазона толщин от 3 до 12 см из-за необходимого увеличения только веса катка в 2 раза.

Однако выход в этом плане есть, и он состоит в том, что весь диапазон толщин, к примеру, от 2,5 до 10 см разбивается на две части – одна со средними значениями толщин 3 и 6 см, а другая – 6 и 9 см. Для каждой из них создается свой каток с возможностью регулирования его общего веса, например, у типоразмера с вальцами 1450×1140 мм от 5,5 до 7,5 т (для средних толщин слоев 3 и 6 см) и от 7,5 до 9,5 т (для 6 и 9 см). Толщины слоев 11–13 см (средний 12 см), как редко устраиваемые дорожниками России и других стран, из этой схемы исключены. К тому же их укатка выполняется при более высоких температурах асфальтобетона (медленнее остывают) и потому возможно использование виброкатков, предназначенных для уплотнения слоев толщиной 10 см. И, наконец, общий толстый слой 12 см иногда, в целях повышения ровности покрытия, целесообразно укладывать и уплотнять в два слоя, чем часто и пользуются российские дорожники.

Изменение общего веса за счет балласта у образца с вальцами 1450×1140 мм на 2 т или на 2,3–2,5 т у виброкатка с вальцами 1680×1200 мм может стать вполне реальным для практического воплощения идеи более универсального катка. А подобное же регулирование центробежной силы не должно оказаться более сложным и трудным, чем осуществляемая регулировка этой силы на уже имеющихся виброкатках.

Фирма, освоившая выпуск любого типоразмера виброкатка А (для средних слоев 3 и 6 или реальных от 2,5 до 7 см) и виброкатка Б (от 5 до 10 см), даст возможность дорожнику самому выбирать на рынке ту модификацию виброкатка (А или Б), которая больше всего нужна ему для реальной практики.

Таким образом, новая или усовершенствованная ЗАО «ВАД» технология высококачественного уплотнения асфальтобетона в дорожных покрытиях, опробованная на практике в 2004г. на многочисленных объектах и километрах российских дорог Северо-Западного региона и доказавшая свою высокую эффективность, показывает технологическую и экономическую целесообразность или даже явную потребность в разработке и выпуске более универсальных виброкатков, пригодных для укатки тонких и средних или средних и толстых слоев асфальтобетона. Дело только за фирмами – производителями уплотняющей техники.

Такие универсальные катки должны на рынке пользоваться довольно широким спросом у дорожников по двум причинам. Во-первых, у дорожника появляется власть над технологией уплотнения и эффективный инструмент управления ею с целью повышения качества асфальтобетонного покрытия. И, во-вторых, ему не нужно будет иметь в своем парке многочисленные и разнообразные типоразмеры и образцы катков, и тратить средства на их приобретение.

Практический опыт и знания специалистов ЗАО «ВАД» дают основание для важного дополнительного вывода. За исключением, пожалуй, только США, дорожники многих стран, в числе которых и Россия, преждевременно и незаслуженно отказались от услуг полезных гладковальцовых катков статического типа, иногда очень нужных наравне с виброкатками. Доказательством этого является изложенная новая технология уплотнения.




Опубликовано: 06.02.06
Версия для печати
Рубрика: Дорожные работы
Автор: Костельов М. П. Перевалов В.П.  
Источник: Дорожная техника (Все статьи..)