OffLine версия Рекламодателям О нас
товаров 5314    фирм 733   статей 949

блокнот 0
№46
 
Проблема повышения долговечности дорожных одежд
Главная     Лента     Авторы     Источники     Архив   
Товары в каталоге



асфальт   асфальтобетон   бетон   битум   дорожные работы   укладка асфальта   щебень  

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...


ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И МЕТОДЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ В США

В августе 2005 г. президент США Дж. Буш подписал указ о выделении 286 млрд долларов на строительство автомобильных и железных дорог и мостов в течение последующих шести лет. С учетом как минимум 20%, которые штаты должны добавить, чтобы получить федеральное финансирование, получается около 60 млрд долларов в год. Из них почти 80% приходится на автомобильные дороги. Несколько лет дорожники добивались проведения этого указа через конгресс. По их оценке, требовалось примерно 400 млрд долларов. Фактически выделенная сумма в основном уйдет на поддержание имеющейся сети в нормальном состоянии; на новое же строительство потребовалось бы больше денег. В общем, можно сказать, что эти средства, главным образом, направлены на продление долговечности покрытий (хотя к указу приложен внушительный список объектов с целевым финансированием строительства).

Проблема повышения долговечности дорожных одежд

Итак, что такое долговечность дорожной одежды? На этот вопрос трудно дать исчерпывающий ответ. После ввода дороги в эксплуатацию нарушение первоначального состояния дорожной одежды происходит постепенно под действием повторных нагрузок и природных факторов. При этом, в терминах теории надежности, «отказ» конструкции не является четким ни во времени, ни по признакам разрушения.

Рассмотрим конкретный пример. Одну поперечную трещину на 1 км длины дороги, очевидно, нельзя считать отказом конструкции. А 10 трещин? Пожалуй, и 10 поперечных трещин на 1 км – это еще далеко не отказ. А 100 трещин? Вот здесь уже можно полагать, что вода, проникая через эти трещины, приведет к быстрому разрушению всей конструкции.

Другой пример. На поверхности асфальтобетонного покрытия в жаркое время года появилась колея глубиной 10 мм. При этом ее появление, как это часто бывает, не сопровождалось возникновением трещин. Способность конструкции распределять давление на грунт не изменилась. Тем не менее, такая колея при ее заполнении водой приводит к защемлению воды между шиной и покрытием, уменьшению трения между ними, удлинению тормозного пути и к потере управляемости автомобилем. При определенных интенсивности движения и природных условиях ее появление можно считать отказом конструкции дорожной одежды.

В связи с нечеткостью критериев отказа понятие о сроке службы покрытия трудно сформулировать. В американских «Рекомендациях по проектированию асфальтобетонных покрытий улиц и дорог» (1991 г.) используются понятия «проектный период» и «анализируемый период». Проектный период – это промежуток времени (скажем, 10–20 лет), для которого оценивается суммарное число проездов автомобилей, необходимое число полос проезжей части и рассчитывается толщина слоев. Имеется в виду, что к концу этого периода могут потребоваться ремонтные мероприятия, например, укладка слоя усиления.

Даже на улицах Лос-Анджелеса имеются трещины

Фото 1. Даже на центральных улицах Лос-Анджелеса имеются отраженные трещины в асфальтобетонном покрытии.

Анализируемый период – это время, для которого проводится анализ экономической эффективности различных вариантов стратегии строительства, ремонта и содержания. Он должен включать, по меньшей мере, один капитальный ремонт. Его выбирают так, чтобы он был меньше того периода, через который можно ожидать радикальных изменений в технологии строительства дорог, и больше проектного периода не менее, чем в 1,5 раза (например, 30–40 лет). При этом учитывается остаточная стоимость дорожной одежды к концу периода анализа. Что же касается «срока жизни» дорожной одежды, то, как отмечается в «Руководстве», он может продлеваться неограниченно за счет ремонтов и усиления. Чтобы судить о сравнительной эффективности различных технологий, используют понятие о «стоимости жизненного цикла» в пределах периода анализа.

В соответствии с этим, ниже сначала рассматриваются некоторые конструкции и технологии, применяемые в США для повышения долговечности дорожных одежд, а затем оценивается их эффективность с точки зрения стоимости жизненного цикла.


Долговечная конструкция дорожной одежды на дороге с очень интенсивным движением

Необычные конструкции дорожной одежды были построены недавно в Калифорнии на междуштатном фривее I-710. Эта дорога является кратчайшим путем, соединяющим крупные порты Лонг-Бич и Лос-Анджелес с железнодорожными складами в г. Лос-Анджелесе, и поэтому движение на ней считается самым тяжелым в штате Калифорния.

Старая дорожная одежда, прослужившая 50 лет, состояла из щебеночного основания толщиной 30 см; щебня, укрепленного цементом, толщиной 10 см и цементобетонного покрытия толщиной 20 см с деформационными швами без стальных стержней в швах сжатия. В последние 5 лет интенсивность движения резко возросла. Она составляет 164 тыс. автомобилей в сутки в рабочие дни недели и 122 тыс. автомобилей по выходным (при этом доля тяжелых грузовых автомобилей и автопоездов составляет 13%). Старое покрытие имело многочисленные поперечные, продольные и угловые трещины и сделалось неровным. Потребовалось реконструировать шестиполосный участок протяженностью 4,4 км (всего 26,4 км проезжей части).

Предложения по конструкции дорожной одежды и технологии строительства разрабатывала группа специалистов из Калифорнийского университета в г. Беркли под руководством проф. К. Монисмита. Калифорнийский департамент транспорта сформулировал задачу следующим образом:

  1. Технология строительства должна быть такой, чтобы продолжительность перерывов в эксплуатации дороги была минимальной, в связи с этим она должна иметь асфальтобетонное покрытие.
  2. Конструкция должна удовлетворять высоким требованиям к ровности, безопасности движения и уровню транспортного шума.
  3. В течение по крайней мере 30 лет ремонтные мероприятия должны затрагивать только верхний тонкий слой.

Реконструируемый участок состоял из двух отрезков (оба по 6 полос, по 3 полосы в каждом направлении). На одном из них протяжением 2,8 км геометрические элементы дороги допускали повышение отметки поверхности покрытия (здесь старую дорожную одежду не удаляли, а устраивали новую поверх нее). На другом участке протяжением 1,6 км отметку покрытия нельзя было повысить и старую дорожную одежду следовало удалять.

Расчетное число проездов за проектный период 30 лет составило 200 млн осей, приведенных к нагрузке 82 кН. Это равноценно примерно 85 млн 10-тонных (100 кН) осей, принятых за расчетную нагрузку в России.


Конструкции дорожной одежды на фривее I-710.

Рис. 1. Конструкции дорожной одежды на фривее I-710.

На участке протяженностью 1,6 км старую дорожную одежду разрушили и убрали, включая часть земляного полотна до глубины 62,5 см. Предложенная новая дорожная одежда (рис. 1 А) была детально рассчитана на основе теории слоистых систем. Вычислив напряжения в слоях, асфальтобетонные образцы подвергали испытаниям повторными нагрузками и прогнозировали поведение слоев в эксплуатации. Дорожная одежда необычная. Она включает:

Верхний слой покрытия из высокопористого дренирующего асфальтобетона на резинобитумном вяжущем толщиной 2,5 см.

Этот слой должен обеспечить высокие сцепные свойства покрытия и низкий уровень транспортного шума. Слой следует периодически заменять, в среднем для США – через 7–8 лет, на данном объекте можно ожидать около 5 лет.

Второй слой покрытия толщиной 7,5 см.

Он должен гарантировать высокое сопротивление накоплению остаточных деформаций. Для смеси выбран битум PBA-6A*, модифицированный полимером. После искусственного старения в тонкой пленке он характеризуется очень высокой вязкостью – при 60 °С более 10000 Пуаз (1000 Па·с) и растяжимостью при 25 °С не менее 60 см. Асфальтобетонная смесь подобрана так, чтобы воздушная пористость составляла 7%.

Третий асфальтобетонный слой толщиной 15 см.

Играет ведущую роль в распределении давления от колеса на грунт земляного полотна. Для него выбран тоже весьма вязкий битум марки AR-8000, имеющий при 60 °С вязкость 8000±2000 Пуаз после искусственного старения в тонкой пленке при растяжимости не менее 75 см. Пористость асфальтобетона – 7%.

Четвертый (нижний) асфальтобетонный слой толщиной 7,5 см.

Изготовлен на том же битуме марки AR-8000 из плотной смеси (пористость 3%). Нужен, чтобы лучше воспринимать растягивающие напряжения и противостоять усталости при действии повторных нагрузок. Именно поэтому этот слой содержит больше битума (5,2%), чем остальные, и имеет наименьшую пористость.

Таким образом, каждый слой играет вполне определенную роль. Материал второго слоя испытывали в лаборатории на сдвиг повторяющимися нагрузками при температуре 50 °С , соответствующей глубине его расположения. Прогнозируемая глубина колеи через 30 лет – 12,5 мм. Материал нижнего слоя испытывали на усталость повторными нагрузками при напряжениях, ожидаемых от транспортных средств, и подобрали смесь так, чтобы в нем не возникали трещины.

Оригинальность конструкции состоит в том, что ее нижний слой содержит больше вяжущего, чем остальные слои. Заметим, впрочем, что такая же идея высказывалась в 1970–80 х в работах А. О. Салля, а также А. Е. Мерзликина и Б. С. Радовского и была реализована в России А. Е. Мерзликиным на участке кольцевой дороги в г. Казань при строительстве слоистого основания из цементогрунта.

На участке протяжением 2,8 км старое цементобетонное покрытие раскололи сбрасыванием стальной плиты, затем осадили тяжелым грузом, уложили для прерывания трещин прослойку из полимерной ткани, пропитанной битумом (с «защитным слоем» из асфальтобетона под ней), а поверх нее устроили дорожную одежду общей толщиной 22,5 см на основе тщательного анализа ее напряженного состояния (рис. 1 Б).

Все работы были выполнены за 8 перерывов в движении по выходным дням. Каждый перерыв продолжался 55 часов с 10 вечера в пятницу до 5 часов утра в понедельник. Строительство участка обошлось в 19 млн долл.


О применении полимерно-битумного вяжущего

Много новых технологий появилось в дорожном строительстве благодаря улучшению битумов добавкой небольшого количества полимера. Как известно, полимеры – это химические соединения, состоящие из больших молекул, образованных большим (отсюда и «поли») количеством повторяющихся малых молекул (мономеров), химически присоединенных друг к другу в виде цепей или кластеров («гроздей»). Физические свойства полимеров определяются последовательностью звеньев цепи и химической структурой мономеров, из которых она состоит. Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например, поливинилхлорид). Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности (блоки), сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блок-сополимерами. Свойства блок-сополимера, в отличие от свойств сополимера с тем же соотношением компонентов, не являются промежуточными между свойствами гомополимеров. В блок-сополимере сочетаются свойства как одного, так и другого компонента, что делает блок-сополимеры ценными материалами. Типичным примером является SBS (стирол-бутадиен-стирол), состоящий из химически связанных блоков полистирола и полибутадиена.

Полимеры, используемые в сочетании с битумом, делят на 4 группы в зависимости от их механических свойств и поведения при нагревании:

Эластомеры.

Являются упругими. При нагревании до температуры плавления деградируют. К эластомерам, например, относится полибутадиен, полиуретан, полиизопрен (каучук).

Термопласты.

В нагретом состоянии становятся пластичными (пластмассы). Их можно разогреть до перехода в жидкое состояние, а после остывания – снова нагревать и формовать. Добавлением термопласта в битум можно увеличить вязкость. К ним относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и этиленвинилацетат (EVA), применяемый для модификации битума уже около 30 лет.

Термоэластопласты (термопластичные эластомеры).

Сочетают свойства как эластомеров, так и термопластов. Благодаря этому находятся в пластичном состоянии в битуме во время приготовления и уплотнения смеси, но при температурах эксплуатации готового покрытия проявляют свои упругие свойства, придавая вяжущему эластичность. Таким, например, является блок-сополимер бутадиена и стирола (SBS).

Термореактивные смолы.

Они представляют собой сшитые полимеры, которые обычно формуются и обрабатываются до того, как производится их сшивание. После того, как завершено сшивание, изменить форму предмета уже невозможно. Примером являются эпоксидная смола и поликарбонат.

Хотя первый патент на модификацию битума добавкой полимера был выдан в 1843 г. (!), опытное строительство с его применением началось в странах Западной Европы только в 1930 х. На территории Северной Америки в 1950 х для модификации битума начали применять в дорожном строительстве неопреновый латекс (эмульсию синтетического каучука в воде).

В 1970 х годах в Западной Европе интерес к применению модифицированных битумов значительно возрос вследствие нефтяных кризисов 1973 и 1979 гг., которые привели к удорожанию битума. Модифицированные битумы использовали для устройства поверхностной обработки и при приготовлении асфальтобетонных смесей. В России Л. М. Гохманом и его сотрудниками исследования по применению ПБВ в дорожном строительстве проводятся с начала 1970 х.

В США начала 1980 х под влиянием европейского опыта интенсифицировались исследования в области технологии ПБВ, и объем строительства покрытий с их применением стал быстро увеличиваться. При этом, наряду с расширением номенклатуры полимерных добавок, большую роль сыграло осознание того факта, что, несмотря на более высокую стоимость ПБВ, суммарные расходы на строительство и ремонты в течение «жизненного цикла» покрытия снижаются благодаря увеличению межремонтных сроков службы.

Основная цель введения полимера в битум – понижение температурной чувствительности вяжущего, т.е. увеличение его жесткости летом и уменьшение зимой. Другая цель – придание вяжущему эластичности (способности к восстановлению первоначальных размеров и формы при разгрузке после большой деформации). Если эти цели достигнуты, то дорожно-строительный материал на основе ПБВ обладает повышенной устойчивостью против образования остаточных деформаций (колеи) летом, поперечных температурных трещин зимой и обладает повышенной усталостной трещиностойкостью (выносливостью) при повторном изгибе.

Наиболее широко применяют SBS, впервые использованный для модификации битума сотрудниками компании SHELL в 1960-x. В этом полимере блоки полистирола имеют большую молекулярную массу и, ассоциируя друг с другом, образуют объемы стеклообразного полистирола, с которыми химически связан окружающий их эластомер – полибутадиен. Сшивание полимерных цепей создает пространственную сетчатую структуру.

Модификация битума полимером качественно изменяет свойства вяжущего, причем необходимое для этого количество полимера составляет всего несколько процентов (как правило, 2,5–6%). Благодаря этому можно добиться радикального улучшения свойств вяжущего при его умеренном удорожании.


Смеси на ПБВ для асфальтобетонных покрытий

В качестве примера рассмотрим применение вяжущего Stylink, использовавшегося много лет компанией Koch Materials. Оно представляет собой SBS блок-сополимер, сшитый в базовом битуме. C 1984 г. производство этого вяжущего непрерывно возрастало и к настоящему времени достигло 2 млн т в год.

ПБВ Stylink обладает такими свойствами, которых не имеют традиционные битумы. Одним из них является эластичность, проявляющаяся при испытании на растяжение, когда образец вяжущего восстанавливает первоначальную длину после разгрузки, что важно при воздействии многократных повторных нагрузок от автотранспортных средств.

Применение полимерно-битумных вяжущих потребовало создания новых методов испытания вяжущих веществ для дорожного строительства и новых принципов их классификации.

Традиционно битумы маркировали либо по их пенетрации, либо по вязкости. Так, широко распространенный в США битум AC-20 (Asphalt Cement-20, по пенетрации и растяжимости примерно соответствует битуму БНД 60/90) имеет при 60 °С вязкость около 200 Па±с.

В новой системе Суперпейв маркировка вяжущего ведется по эксплуатационным условиям работы покрытия (PG – Микросюрфейсинг). Во многих случаях битумы с маркой по вязкости АС-20 соответствуют по Суперпейв марке PG 64–22. Это означает, что данный битум применим при расчетной летней температуре покрытия 64 °С и при расчетной зимней – минус 22 °С в условиях скоростного движения средней интенсивности (до 10 миллионов проездов осей с расчетной нагрузкой 80 кН за срок службы). Расчетной летней температурой считают среднюю температуру на глубине 2 см за семь наиболее жарких последовательных дней в течение расчетного срока службы, найденную с заданной надежностью. Расчетную зимнюю температуру покрытия принимают равной наименьшей зимней температуре воздуха в течение расчетного срока службы, найденной с заданной надежностью.

Температурный диапазон 64–22 характерен для многих штатов. Дополнительно для участков с медленным движением (например, для перекрестков) либо для участков, где приведенное к расчетной нагрузке число проездов за срок службы превышает 10 миллионов, рекомендуется выбирать вяжущее на одну марку (на 6 °С) «жарче», т.е. PG 70–22. Если эти условия сочетаются, то рекомендуется выбрать вяжущее на две марки «жарче», т.е. PG 76–22.

Технология Stylink позволяет модифицировать битум АС-20 от марки PG-64–22 до марок PG 70–22, PG 76–22, PG 70–28 и даже до PG 82–28. Как правило, при диапазоне расчетных температур шире 90 °С (для PG 64–22 этот диапазон равен 64–(–22)=86 °С) обычный битум не может удовлетворить требованиям стандарта Суперпейв и вместо него рекомендуется ПБВ.

Предварительной подготовки вяжущего Stylink не требуется: оно поставляется в готовом виде и используется как обычный битум без дополнительного перемешивания. Оптимальное содержание ПБВ Stylink в асфальтобетонной смеси при различных методах подбора ее состава может отличаться от оптимального содержания битума на ±0,1%. Технология смешения, укладки и уплотнения также практически не отличается от традиционной, но физико механические свойства асфальтобетона значительно улучшаются.

Разделительная полоса с деревьями

Фото 2. Разделительная полоса с деревьями на самом деле очень прочная, поскольку камни скреплены цементным раствором высокой марки.

Испытания на кольцевом стенде Центральной лаборатории мостов и дорог Франции под действием многократных проездов колес с нагрузкой 65 кН свидетельствуют, что асфальтобетон на модифицированном вяжущем не только более устойчив к образованию колеи, но и более вынослив при изгибе. Испытывали дорожную одежду с асфальтобетонным покрытием толщиной 8,5 см на щебеночном основании толщиной 40 см. На одной секции кольцевой дорожки асфальтобетон содержал 5,1% битума с маркой по пенетрации 50/70 и с маркой по Суперпейву PG 64–22, а на другой – то же количество полимерно-битумного вяжущего Stylink с той же пенетрацией 50/70, но соответствующего по Суперпейв марке PG 76–28. Измеренные продольные относительные деформации при изгибе (относительные удлинения) в начале испытаний составляли для обеих секций около 1×10-4, а поперечные – примерно 1,1×10-4. Однако число проездов до появления сетки усталостных трещин на 50% площади полосы наката составило 625 тыс. для покрытия на битуме и 1,1 млн для покрытия на ПБВ, т.е. модификация полимером увеличила срок службы по критерию усталости при изгибе на 76%. После 1 миллиона проездов глубина колеи для покрытия на битуме составляла 30 мм, а для покрытия на ПБВ Stylink – 17 мм.

ПБВ Stylink снижает опасность образования температурных трещин при охлаждении покрытия. В этом отношении интересен опыт работы покрытий на ПБВ в северных штатах США и в Канаде. Так, аэропорт в штате Миннесота расположен в районе со среднегодовой температурой воздуха 0 °С, максимальной летней температурой 38 °С и зимней −40 °С. В этих условиях образование низкотемпературных трещин в покрытии было постоянной проблемой. Для строительства взлетно-посадочной полосы в 1996 г. была выбрана дорожная одежда, состоящая из асфальтобетонных слоев – выравнивающего, основного и слоя износа. Смеси для всех слоев приготовили на вяжущем Stylink, соответствующем марке PG 52–40. Первая же зима была необычно суровой с минимальной температурой −42 °С, однако поперечных трещин не появилось.

Вяжущее Stylink дороже битума, однако дополнительные расходы окупаются. Например, в шт. Теннеси в 1994 г. средняя стоимость 1 т ПБВ, включая доставку, была почти на 80% дороже битума АС-20. Но стоимость каменного материала составляла свыше 20 долл. за тонну, поэтому при среднем содержании битума 5% смесь на ПБВ стоила всего на 22% дороже. В штате Кентукки средняя стоимость верхнего слоя (после укладки и уплотнения), выполненного на ПБВ Stylink на 10% дороже, чем на асфальтобетонной смеси первого класса. Вместе с тем, в зависимости от условий применения срок службы покрытий на ПБВ в этих штатах увеличивается на 4–8 лет по сравнению с покрытиями на традиционном битуме. В штате Колорадо стоимость строительства покрытия на ПБВ была в среднем на 10% больше, а срок службы – на 32% больше. В Канаде был проанализирован опыт службы покрытий на четырех дорогах, построенных в 1987–1992 годах в различных природных условиях. Оказалось, что покрытие на вяжущем Stylink служит на 4–6 лет дольше и по суммарным затратам дает экономию в среднем 3800 канадских долл. на 1 километр одной полосы проезжей части.

Интересно сравнить поведение асфальтобетонного покрытия из смеси на ПБВ Stylink, с цементобетонным покрытием в одинаковых условиях. Дорожный департамент штата Мэриленд в 1993 г. предложил ассоциациям асфальтобетона и цементобетона и соответствующим подрядчикам конкурс на реконструкцию покрытий на перекрестках с дорогой федерального значения US 40 со среднегодовой суточной интенсивностью движения 34 тыс. автомобилей, в том числе 12% грузовых. Дорога имеет 8 полос проезжей части, по 4 в каждом направлении, но грузовое движение ограничено двумя правыми полосами каждого направления. На пересекающей дороге MD 213 интенсивность движения составляла 14 тыс. авт./сутки, поэтому задержка движения во время строительных работ имела большое значение. Главная проблема, однако, состояла в том, что по данным заказчика вследствие медленного движения и высокого (по критериям США) процента грузовых автомобилей глубина колеи на дороге US 40 увеличивалась на 25 мм за один год, и поэтому приходилось ежегодно удалять верхнюю часть покрытия и укладывать новое.

Существующая дорожная одежда включала старое цементобетонное покрытие толщиной 23 см со швами и поверх него – слои асфальтобетона из горячей смеси общей толщиной 20 см. К моменту реконструкции средняя глубина колеи вдоль двух правых полос достигла 38 мм. Конкурирующим сторонам были выделены два соседних перекрестка и разрешены любые отступления от принятых в штате стандартов на материалы и нормы проектирования в рамках отпущенных средств.

Вираж в каньоне на Beverly Hills

Фото 3. Вираж в каньоне на Beverly Hills.

Специалисты по асфальтобетону вырезали в дорожной одежде поперечную траншею и отобрали керны диаметром 10 см и 25 см. Осмотр показал, что зона накопления остаточных деформаций распространяется на глубину 15 см в верхней части асфальтобетонных слоев общей толщиной 20 см. Кроме того, наблюдалось мало непосредственных контактов между крупными зернами каменного материала. Было решено убрать 20 см черных слоев и заменить их двумя слоями асфальтобетона толщиной по 7,5 см с максимальным размером зерен 25 мм и верхним слоем толщиной 5 см с максимальным размером зерен 19 мм. По природным условиям рекомендуемая системой Суперпейв марка вяжущего должна быть принята PG 64–22, но в связи с медленным движением и высокой его интенсивностью ее следовало сдвинуть на две марки – до PG 76–22. Верхний слой был устроен из смеси, содержавшей 4,9% вяжущего Stylink 76–22, а нижние – 4,6% того же вяжущего. При этом состав смесей подбирали в соответствии с методикой Суперпейв.

Специалисты по цементобетону приняли решение удалить верхние 15 см черных слоев, оставив 5 см в качестве технологического и трещинопрерывающего слоя, и устроить новое цементобетонное покрытие толщиной 15 см.

Асфальтобетон был уложен в августе 1994 г. за 8 ночей (три ночи удаляли старое и пять ночей укладывали новое покрытие с 7 вечера до 6 утра на площади 12500 м2). Цементобетонное покрытие было устроено на площади 1400 м2 весной 1995 г. в течение 12 суток (по четверо последовательных суток в течение трех недель). Стоимость строительства 1 м2 дорожной одежды составила 43,2 долл. для асфальтобетона на вяжущем Stylink и 124,7 долл. для цементобетона – почти втрое дороже. Показатель неровности покрытия, измеренный профилометром осенью 1995 г., составил 205 мм на 1 км на асфальтобетонном покрытии и 647 мм на 1 км на цементобетонном. К концу 1999 г. на цементобетонном покрытии появились трещины и повреждения в швах. Весной 2000 г. цементобетонное пришлось ремонтировать с применением битума и асфальтобетонной смеси. К июлю 2000 г. количество трещин стало таким, что было решено удалить цементобетон. Его удалили и заменили горячей смесью на ПБВ Stylink за 22 часа. К осени 2000 г. асфальтобетонное покрытие, построенное на перекрестке в 1994 г., находилось в отличном состоянии, глубина колеи не превышала 2 мм.


Слой износа из горячей смеси

Ультратонкий слой из горячей асфальтобетонной смеси с зерновым составом, соответствующим высокопористому асфальтобетону, укладывают поверх теплой «мембраны» из эмульсии, приготовленной на ПБВ. Эта технология применяется в США с начала 1990 х под названием NovaChip.

Используют три типа зернового состава A, B и C с максимальным размером зерен соответственно 4,75, 9,5 и 12,5 мм, и минимальной толщиной слоя 12,5, 16 и 19 мм. Содержание вяжущего обычно находится в интервале 4,6–5,8% и подбирается с таким расчетом, чтобы средняя толщина пленки на зернах была не менее 9 микрон, чтобы замедлить старение вяжущего. Стандартная методика расчета толщины пленки, не учитывающая степень уплотнения смеси, приведена в справочнике Asphalt Handbook (MS-4), Asphalt Institute, 1989, 607 p., а метод расчета ее толщины в зависимости от зернового состава каменного материала, содержания битума и пористости асфальтобетона описан в статье Radovskiy, B. Analytical Formulas for Film Thickness in Compacted Asphalt Mixture. Transportation Research Record 1829, TRB, Washington, D.C., 2003, pp. 26–23.

В США для NovaChip обычно используют полимерно-битумное вяжущее Stylink или битум АС-10. Работы производят при температуре воздуха не ниже 10 °С. Эмульсия в количестве 0,7–1,0 л/м2 (меньшее значение для смеси типа А, большее – для смеси типа С), имеющая температуру 50–80 °С, разбрызгивается под давлением укладочной машиной. Расход эмульсии уточняют на месте в зависимости от вида и состояния покрытия. Не более чем через 5 сек после эмульсии распределяется смесь, имеющая температуру 145–165 °С. Укладка должна производиться со скоростью 10–30 м/мин. Слой укатывают не менее чем двумя проходами 9-тонного катка со стальными вальцами. Движение можно открывать тотчас после окончания уплотнения, если температура слоя ниже 85 °С.

Слой износа NovaChip устраивают поверх асфальтобетонного либо цементобетонного покрытия. Он создает хорошую текстуру поверхности качения; уменьшает разбрызгивание воды и грязи, улучшая видимость для позади идущих автомобилей в дождливую погоду; снижает уровень шума на 1,4–2,1 децибела для асфальтобетона и на 3,2–4,1 децибела для цементобетона. Слой износа служит до 10 лет без заливки трещин. В 35 штатах США по этой технологии устроено около 50 млн м2 слоев износа.


Поверхностная обработка на эмульсии

В качестве предупредительного ремонта покрытий на дорогах с движением умеренной и высокой интенсивности при небольших повреждениях поверхности в компании Koch Materials используют технологию RoadArmor. Она создает макрошероховатый слой, исправляет небольшие повреждения и герметизирует покрытие.

Технология заключается в разливе очень быстро распадающейся эмульсии, нанесении щебня узкой фракции тотчас после эмульсии и последующей укатке. Эмульсию приготавливают на ПБВ из базового битума с пенетрацией в пределах 60–120 децимиллиметров. ПБВ для эмульсии должно характеризоваться эластичностью не менее 60% при 4 °С. Щебень должен содержать не менее 82% по массе зерен с размерами 4,75–9,5 мм и не более 1% частиц мельче 0,075 мм. Не менее 98% зерен щебня должны иметь хотя бы одну грань, образовавшуюся в результате дробления, и не менее 95% зерен должны иметь две и более таких граней. Содержание зерен лещадной формы не должно превышать 17%. Износ по микро – Девалю – не более 17%. Величина адсорбции вяжущего каменным материалом должна быть менее 2% от массы этого материала.

Синхронизированные операции разлива эмульсии и рассыпания щебня.

Рис. 2. Синхронизированные операции разлива эмульсии и рассыпания щебня.

Перед устройством поверхностной обработки следует очистить покрытие и залить широкие трещины (шире 6 мм). Разлив эмульсии и распределение щебня осуществляют с помощью специальной машины, чтобы сократить промежуток времени между этими операциями (рис. 2). Дозированием эмульсии и щебня управляет компьютер с тем, чтобы обеспечить синхронизацию этих операций и непрерывность процесса. При быстром распаде эмульсии мицеллы вяжущего, сливаясь в капли, создают пленку между зернами и поверхностью покрытия. Расход щебня составляет 8–10 кг/м2 вместо обычного для поверхностной обработки расхода 11,5–13 кг/м2, что дает существенную экономию щебня. Используют не менее одного пневматического катка на каждые 1,5 м ширины полосы, по которой устраивается поверхностная обработка, с тем, чтобы сохранять темп работы, обычно – около 100 м/мин при ширине до 5 м. Благодаря непрерывности технологического процесса стыки отсутствуют и не приходится заниматься их сопряжением, как при обычной технологии. Не позже, чем через один час, сметают излишний щебень с поверхности покрытия. Тотчас после этого открывают движение по дороге. Такую поверхностную обработку устраивают на дорогах и городских улицах, когда нужно обеспечить минимальную задержку движения. Имеется положительный опыт устройства поверхностной обработки по технологии RoadArmor при температуре покрытия 18–60 °С и влажности воздуха 12–98% в 25 штатах на дорогах с интенсивностью движения от 500 до 26 тыс. авт./сутки.


Защитный слой из холодной литой смеси

Технология восстановления эксплуатационных параметров покрытия с помощью эмульсионно минеральной смеси – Сларри Сил (буквально: герметизация суспензией) – широко применяется в США для предупредительного ремонта уже более 20 лет. Разновидностью этой технологии является Ralumac – микропокрытие толщиной 10–15 мм и больше, устраиваемое из плотной смеси каменных материалов и эмульсии на ПБВ. Оно улучшает текстуру поверхности качения, исправляет продольные неровности, заполняет неглубокую колею и, восстанавливая слой износа, способствует сохранению существующего асфальтобетонного или цементобетонного покрытия.

Слой устраивают из литой эмульсионно минеральной смеси, т.е. без укатки. Смесь мелкозернистого каменного материала плотного зернового состава, медленно распадающейся эмульсии, минерального порошка и добавки, регулирующей время распада, приготавливается в передвижной установке и поступает в короб-распределитель, с помощью которого смесь укладывается на покрытие. Катионная эмульсия содержит ПБВ, свойства которого могут регулироваться в зависимости от климатических условий, например, пенетрация – 60/70, температура размягчения 58–64 °С, марка по Суперпейву 82–22. Каменный материал обычно содержит 45–60% щебня, 28–49% песка и минеральный порошок. Состав смеси тщательно подбирают. Благодаря хорошим адгезионным свойствам вяжущего в большинстве случаев не требуется подгрунтовка существующего покрытия.

За один проход укладывают от 6 до 40 кг/м2 смеси в зависимости от желаемой толщины слоя и максимального размера зерен: от 6–12 кг/м2 для смеси 0–2,36 мм до 25–35 кг/м2 для смеси 0–9,5 мм. При расходе 25 кг/м2 получается слой толщиной примерно 12 мм. В зависимости от типа укладчика работу можно вести отдельными замесами либо непрерывно. Типичный замес имеет массу 15–23 т, т.е. за день можно уложить от 60 до 150 т смеси. Машины непрерывного действия в Канаде и США укладывают до 500 т в день. Перед усилением цементобетонного покрытия его поверхность следует увлажнить. Если поверхность бетонного покрытия очень пористая, может потребоваться подгрунтовка. При глубокой колее используют специальный короб-распределитель. В этом случае заполняют колею, открывают движение, а затем, после формирования материала в колее, с помощью стандартного короба-распределителя укладывают смесь на всю ширину. Составы смесей для заполнения колеи и для укладки защитного слоя могут отличаться.

Технология применима при температуре воздуха не менее 10 °С в отсутствие дождя при условии, что не ожидается снижения температуры до 0 °С в течение последующих 24 часов. В теплую погоду 1–2 часов достаточно для формирования материала слоя, после чего можно открыть движение автомобилей. В прохладную погоду может потребоваться перерыв до 6 часов. В зависимости от интенсивности движения, природных условий, состояния существующего покрытия и качества строительства типичный срок службы слоя Ralumac находится в пределах 3–5 лет. Эта технология не требует больших расходов. Так, в шт. Канзас на междуштатной дороге I-135 (Interstate-135) при устройстве слоя износа поверх существующего цементобетонного покрытия стоимость смеси, включая укладку, составила 0,1 долл./кг, т.е. при расходе 25 кг/м2 – 2,5 долл./м2 при ожидаемом сроке службы 7 лет на этой дороге.


Новые технологии и жизненный цикл дорожной одежды

Рассмотрим теперь эффективность новых технологий с точки зрения стоимости жизненного цикла. Чтобы охарактеризовать состояние дорожного покрытия и его изменение в процессе службы, используют оценку эксплуатационного состояния PCI (Pavement Condition Index), выраженную в баллах.

Пятибалльная система оценки эксплуатационного состояния PSI (Present Serviceability Index) была разработана в результате проведенных в 1956–1960 гг. испытаний дорожных одежд на полигоне Американской Ассоциации государственных дорожных служащих (AASHO – в настоящее время – дорожно-транспортных служащих – AASHTO). Испытывали несколько сотен конструкций дорожных одежд движением седельных тягачей с полуприцепами. Группа экспертов каждые две недели оценивала состояние покрытия на каждой опытной секции с потребительской точки зрения.

Эксперты не только не имели информации о конструкции дорожной одежды, осевой нагрузке и общем количестве проездов по данной секции, но и никаких измерительных приборов. Им разрешалось пройти по участку, после чего эксперт выставлял оценку и передавал ее руководителю комиссии. Для этого каждый эксперт имел две карточки: на одной он отмечал балл от 1 до 5, а на другой – отвечал на вопрос, приемлема ли дорога для дальнейшей эксплуатации (возможны были три ответа: «да», «нет» или «не решено»). Оказалось, что по мере увеличения числа проездов оценка эксплуатационного состояния (среднее значение PSI) уменьшалась от 4–5 до 1,5–2 баллов. Выставляя PSI = 2,5, половина экспертов считала состояние покрытие неприемлемым, а при PSI = 1,5 все члены комиссии считали дальнейшую эксплуатацию дороги невозможной. Так пришли к выводу, что почти новое дорожное покрытие имеет оценку между 4 и 5, капитальный ремонт нужен, когда PSI менее 2,5, а при оценке ниже 1,5 требуется коренное переустройство дорожной одежды, включая слои основания.

Для дорог высшей категории (фривеев) в Калифорнии предпочитают цементобетон.

Фото 4. Для дорог высшей категории (фривеев) в Калифорнии предпочитают цементобетон.

Для рационального распределения ресурсов на содержание и ремонт различных участков дорожной сети и средств на новое строительство в ряде стран в 1970–80 х годах приступили к разработке систем управления состоянием дорожных одежд – PMS (Pavement Management System). При этом стремятся к оптимальному распределению ресурсов во времени для каждого данного объекта: назначение очередности ремонта разных участков, выбор вида и последовательности их выполнения для каждого участка. Чтобы это осуществить, нужно уметь прогнозировать изменение оценки эксплуатационного состояния покрытия во времени в зависимости от конструкции дорожной одежды, природных условий и интенсивности движения. В качестве оценки эксплуатационного состояния сочли удобным использовать 100-балльный показатель состояния PCI (Pavement Condition Index), который можно рассматривать как умноженный на 20 пятибалльный показатель AASHO. Прогноз изменения состояния покрытия в процессе его службы – трудная задача, которая ввиду множества влияющих факторов и несовершенства наших знаний пока не поддается строгому решению. Были разработаны как сложные математические модели прогнозирования появления различных признаков разрушения (колеи, усталостных трещин и т.д.), влияющих на PCI, так и упрощенные модели.

Одна из упрощенных математических моделей прогноза изменения состояния покрытия в процессе его службы была предложена автором данной статьи. Она базируется на следующих положениях:

  • Состояние дорожной одежды ухудшается под действием повторных нагрузок (усталостные трещины, остаточные перемещения в виде колеи в поперечном профиле и неровностей в продольном профиле) и под влиянием природных факторов (понижение прочности при повторном замерзании и оттаивании, усталость покрытия при колебаниях температуры, старение вяжущего). Поэтому при прогнозировании состояния покрытия должен быть отражен повторный характер силовых и природных воздействий.
  • Разрушение покрытия происходит не одновременно по всей протяженности дороги, что можно объяснить разбросом прочности материалов, толщины слоев, влажности грунта и степени его уплотнения. Поэтому при прогнозировании изменения состояния покрытия должен быть учтен разброс запаса прочности на повторные силовые и природные воздействия. При этом под запасом прочности здесь понимается отношение прочности к напряжению, а понятия «напряжение» и «прочность» употребляются в широком смысле. «Напряжение» рассматривается как внутренний силовой фактор, способствующий разрушению, – напряжение, относительная деформация, прогиб. А «прочность» – как внутренний фактор, препятствующий появлению отказа, – предельное сопротивление растяжению или сдвигу, предельное относительное удлинение, условный предельно допустимый прогиб при однократном нагружении.
  • Число повторных силовых и природных воздействий можно принять пропорциональным времени эксплуатации покрытия.

На основе этих положений по аналогии с процессом усталости набора образцов, имеющих разброс резерва прочности, была найдена доля длины или площади покрытия, не имеющей разрушений после определенного числа нагружений или спустя время t после ввода дороги в эксплуатацию. Оценку эксплуатационного состояния покрытия логично принять прямо пропорциональной доле его протяжения, не имеющей разрушений. Тогда при 100-балльной шкале формула для показателя эксплуатационного состояния покрытия принимает вид

где Φ(x)– интеграл вероятности, для которого имеются подробные таблицы и приближенные формулы.

В выражении для показателя PCI обозначено:

t – время, по истечении которого определяется этот показатель;
T – время до снижения первоначальной оценки вдвое, зависящее от конструкции дорожной одежды, природных условий ее работы и интенсивности движения, приведенной к расчетной осевой нагрузке;
b – постоянная, характеризующая сопротивление материала повторным нагрузкам;
с – коэффициент вариации, характеризующий разброс запаса прочности относительно его среднего значения.

Кривые PCI (t), построенные по формуле (1), имеют очертание, характерное для экспериментальных данных об изменении оценки состояния покрытия. В начальный период эксплуатации дороги оценка убывает медленно, затем темп ее падения возрастает, становится примерно постоянным, а после уменьшения оценки вдвое – снижается (рис 3). Использованные при вычислениях по этой формуле значения b = 2,5–3,5 примерно соответствуют результатам испытания на усталость конструкций нежестких дорожных одежд и являются промежуточными между значениями этого показателя для образования усталостных трещин и увеличения глубины колеи при повторных проездах автомобилей. Значения с = 0,16–0,20 по порядку величины соответствуют коэффициенту вариации толщины слоев дорожной одежды и их механических характеристик.


Очертание кривой деградации дорожного покрытия

Рис. 3. Очертание кривой деградации дорожного покрытия зависит от капитальности конструкции, качества строительства и свойств материалов.

Решение о виде ремонта зависит от оценки эксплуатационного состояния покрытия (рис. 4). Состояние покрытия при PCI = 80–100 считается очень хорошим, этому соответствует оценка комиссии AASHO от 4 до 5 баллов для нового или почти нового покрытия. При таком состоянии можно ограничиться содержанием и текущим ремонтом. Замечено, что снижение оценки эксплуатационного состояния на 40 баллов (от 100 до 60) происходит в течение примерно 65–75% срока службы до капитального ремонта покрытия, если считать срок службы исчерпанным при оценке 30–40 баллов (для данных рис. 4 это срок службы 14–16 лет). Момент проведения капитального ремонта покрытия часто выбирают с учетом категории дороги: для дорог высшей категории – от 55 до 60, для артериальных дорог – от 50 до 55, для коллекторных – от 45 до 50 и для местных – от 40 до 45. Соответственно, при оценках ниже 55, 50, 45 и 40 предусматривают замену покрытия и основания. Напомним, что значению PCI = 50 равноценна по пятибалльной шкале оценка 2,5, при которой половина экспертов опытного полигона AASHO считала состояние покрытие неприемлемым для нормальной эксплуатации.


Ремонтные мероприятия в зависимости от оценки состояния дорожного покрытия

Рис. 4. Ремонтные мероприятия в зависимости от оценки состояния дорожного покрытия

В различных штатах эти значения могут отличаться от приведенных. Так, в Алабаме новое покрытие должно иметь оценку не ниже 95, текущий ремонт требуется при 75, замена покрытия – при 57, а замена покрытия и основания – при 38. В округе Монтеррей (северная Калифорния) для коллекторных и местных дорог при оценке 70–100 выполняют работы по содержанию и текущему ремонту, включая заливку трещин и укладку сларри-сил с применением эмульсии на ПБВ (в частности, Ralumac); при оценке 55–70 устраивают поверхностную обработку (например, RoadArmor) либо укладывают тонкий (до 37,5 мм) слой износа; при оценке 25–55 делают усиление одним толстым слоем горячей смеси либо двумя слоями; а если оценка опускается ниже 25, дорожную одежду реконструируют. При этом имеет значение, что дорожно-климатические условия в северной Калифорнии благоприятные. Состояние дорог в округе Монтеррей поддерживают на уровне средней оценки около 70, отмечая, что если не расходовать средств на ремонтные мероприятия в течение 5 лет, то средняя оценка понизится до 55.

Эффективность ремонта существенно зависит от момента его проведения. Так, считается, что 1 доллар, израсходованный на ремонт при состоянии покрытия с оценкой выше 60, экономит 4–5 долларов на ремонт при оценке 30. Остаточную стоимость дорожной одежды оценивают с точки зрения возможности повторного применения ее материалов при реконструкции дороги и приводят к стоимости на данное время. Типичные стоимости ремонтных мероприятий с применением технологий, описанных в данной статье, даны в таблице. Выбор вида и последовательности проведения мероприятий по ремонту и содержанию – это технико-экономическая задача, которая решается в пределах определенного периода анализа («жизненного цикла», обычно назначают 30–35 лет), на основе сведений о стоимости строительства дорожной одежды, сроках службы после ремонтов по разным технологиям, стоимости выполнения этих ремонтов, потерь пользователей в связи с задержками во время ремонтных работ и остаточной стоимости дорожной одежды к концу рассматриваемого периода.

Изменение оценки состояния покрытия при различных стратегиях эксплуатации иллюстрируется на рис. 5. Вычисления проведены на основе формулы (1). Черным цветом показано прогнозируемое изменение оценки состояния без проведения каких-либо ремонтных мероприятий. Голубая линия соответствует стратегии планово-предупредительных ремонтов, при которой хорошее состояние покрытия поддерживается содержанием и ремонтом. Красной линией показано изменение оценки состояния при альтернативной стратегии – проведении двух капитальных ремонтов покрытия на 13-й и на 23-й годы после ввода дороги в эксплуатацию.


Изменение эксплуатационного состояния при различных стратегиях проведения ремонтов.

Рис. 5. Изменение эксплуатационного состояния при различных стратегиях проведения ремонтов.

При выборе технологии ремонта имеет значение не только ожидаемый срок службы до следующего ремонтного мероприятия, но и продление срока службы покрытия благодаря применению данной технологии ремонта (см. таблицу). Например, на седьмом году службы асфальтобетонного покрытия (рис. 5), когда оценка его состояния понизилась до 82, выполнили заливку трещин полимерно-битумным вяжущим и его поверхностную обработку по технологии RoadArmor, после чего оценка повысилась до 92. Если больше не проводить ремонтных работ, то на 18-й год оценка понизится до уровня 40, при котором нужен капитальный ремонт (ход прогнозируемого снижения оценки после первого ремонта показан голубыми точками). Но без выполнения поверхностной обработки прогнозируемая оценка состояния понизилась бы от 100 до 40 в течение 13,5 лет, т.е. благодаря ремонту срок службы существующего покрытия в данном примере продлен на 4,5 года (горизонтальный зеленый отрезок на рис. 5). Приведенные в таблице значения основаны на опыте и свидетельствуют, что продление может составить 7–10 лет.


Таблица. Стоимость ремонта и ожидаемый срок службы.
Вид ремонта Ожидаемый срок службы, годы Стоимость ремонта, долл./м2 Продление срока службы существующего покрытия в зависимости от его состояния перед ремонтом, годы
Хорошее, (PCI=80) Удовлетво-рительное (PCI=60) Плохое, (PCI=40)
Заливка трещин 2–4 0,35–0,55      
Разбрызгивание разбавленной эмульсии на ПБВ (Fog Seal) 2–4 0,50–0,70 3–5 1–3 1–2
Поверхностная обработка (Chip Seal) быстро распадающейся эмульсией на ПБВ и щебнем узкой фракции, например RoadArmor 4–8 0,95–3,00 7–10 3–5 1–3
Защитный слой по технологии Сларри Сил, например, Ralumac 4–10 0,70–1,20 7–10 3–5 1–3
Тонкие (25–37,5 мм) и ультратонкие (менее 25 мм) слои из горячей смеси на ПБВ, например NovaChip 8–15 2,10–3,60 10–12 5–7 2–4


Характерно, что, согласно данным таблицы, продление срока службы существующего покрытия может превышать интервалы между ремонтными мероприятиями. Так, разлив-разбрызгивание разбавленной эмульсии ПБВ (Fog Seal) целесообразно повторять через 2–4 года, но достигаемое в результате этого разлива продление срока службы асфальтобетонного покрытия составляет 3–5 лет, если разлив выполнен своевременно, когда покрытие находилось в хорошем состоянии (PCI = 80). Стоимость жизненного цикла при стратегии планово-предупредительных ремонтов обычно ниже, чем при стратегии проведения только капитальных ремонтов.

Вот примерный перечень технологий с применением ПБВ, используемых на различных стадиях эксплуатации:

При состоянии, характеризуемом оценкой 70–85.

Разлив эмульсии ПБВ (Fog Seal), заливка трещин и заделка выбоин, поверхностная обработка RoadArmor®, ликвидация колеи по технологии Ralumac®, ультратонкий слой из горячей смеси на ПБВ по технологии NovaChip®.

При состоянии, характеризуемом оценкой 50–70.

Тонкий слой из горячей смеси на ПБВ по технологии NovaChip®, слой усиления из горячей смеси на ПБВ Stylink®.

При состоянии, характеризуемом оценкой ниже 50.

Ликвидация трещин, выбоин и колеи методом холодного ресайклинга ReFlex®, горячий ресайклинг с эмульсией на ПБВ EncoreTM, фрезерование и эмульсионная стабилизация основания с устройством нового покрытия из горячей смеси на ПБВ Stylink®.

Опыт применения ПБВ для строительства асфальтобетонных покрытий в США и Канаде свидетельствует, что хотя использование ПБВ приводит к удорожанию строительства покрытия на 15–25%, срок службы до капитального ремонта увеличивается на 35–50%, а при последующем использовании ПБВ для ремонта и содержания суммарные прямые затраты на ремонтные мероприятия в «жизненном цикле» уменьшаются не менее чем на 25–40%, и притом тем в большей степени, чем выше интенсивность движения и тяжелее природные условия, особенно при выборе стратегии планово-предупредительных ремонтов.

Все разрабатываемые новые технологии, в конечном счете, направлены на повышение долговечности покрытия, понятие о которой так трудно выразить количественно. В данной статье была сделана попытка, наряду с описанием технологий, изложить принципы, на которых базируется оценка их эффективности.




Опубликовано: 12.05.06
Версия для печати
Рубрика: Дорожные работы
Автор: Радовский Б.С.  
Источник: Дорожная техника (Все статьи..)