6.МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ

6.1.Общая классификация дорожных катков

При строительстве покрытий автомобильных дорог, аэродромов и площадей асфальтобетонные смеси подвергаются уплотнению с целью улучшения прочности и долговечности этих сооружений, что является неотъемлемой частью технологического процесса строительства. Достижение требуемой плотности неразрывно связано с многократными силовыми воздействиями на уплотняемый материал, которые вызывают его деформирование. На данный момент поверхностные уплотняющие машины классифицируются согласно ГОСТ Р 52156 –2003 [15]. На рис. 6.1 схематично представлена их классификация.

Рис. 6.1. Классификация уплотняющих машин

121

В процессе прокатывания вальцов по поверхности обрабатываемого материала происходит его уплотнение действием собственного веса катка, а при необходимости – под действием дополнительных вибраций. В зависимости от формы вальца и связанной с этим спецификой воздействия на уплотняемый материал катки используют для уплотнения связного и несвязного грунтов, а также битуминозной смеси и щебня. Вальцы выполняют обычно в виде гладких цилиндрических барабанов, кулачковыми, решетчатыми с плитками по поверхности обода, в виде набора на оси колес с пневматическими шинами дисков и сегментов, а также компакторными и специальной формы [16].

Гладкие вальцы (рис. 6.2, а) представляют собой барабан цилиндрической формы. Уплотняющее воздействие обеспечивается собственным весом катка, который можно увеличить дополнительным балластом.

Кулачковые катки имеют кулачковые вальцы (рис. 6.2, б), которые представляют собой гладкий цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов укреплены выступы (кулачки). Напряжения на поверхности контакта кулачков с материалом в несколько раз больше, чем напряжения на поверхности контакта с катком с гладкими вальцами. Поэтому кулачковые катки эффективны только при уплотнении связных дорожно-строительных материалов. Однако при этом верхний слой материала остается неуплотненным. Его уплотняют на окончательной стадии с помощью катков с гладкими вальцами или катков на пневматических шинах.

Катки с решетчатыми вальцами (рис. 6.2, в) имеют опорную поверхность в виде решетки, которая состоит из переплетенных прутьев профильной стали или же из отдельных сегментов листовой стали. В процессе укатывания осуществляется также разминающее воздействие. Небольшая базовая поверхность решетки обеспечивает высокие контактные давления. Катки на пневматических шинах (рис. 6.2, г) оснащают пневматическими колесами с гладкой или профилированной рабочей поверхностью. Кроме статического эффекта уплотнения, являющегося результатом воздействия собственного веса катка вследствие упругой деформации пневматических шин, возникает сдвиговой эффект уплотнения, который способствует удалению жидкости и воздуха из уплотняемого материала.

122

Рис. 6.2. Схемы укатывающих рабочих органов: а – гладкобарабанный укатывающий элемент; б – кулачковый укатывающий элемент; в – укатывающий элемент с решетчатым колесом; г – укатывающий элемент на пневмоколесах; д – укатывающий элемент с плитками, шарнирно присоединенными к ободу колеса; е

– дисковый укатывающий элемент; ж – сегментный укатывающий элемент; з – компакторный валец; и – валец с набором многоугольных дисков

Катки с плитами (рис. 6.2, д) оборудованы вальцами, представляющими собой цилиндрический барабан небольшой ширины, на поверхности которого расположены плитки по всей его

123

ширине. Эти вальцы через плитки оказывают статическое воздействие на материалы с усилием, направленным вертикально к поверхности укладываемого материала, горизонтальных смещений укладываемого материала не происходит. Катки с дисковыми вальцами (рис. 6.2, е) оборудованы вальцами, состоящими из дисков различного диаметра, установленных на одной оси.

К началу уплотнения валец погружается в уплотняемый материал так, что все диски находятся в контакте с материалом. С увеличением степени уплотнения палец поднимается вверх и с материалом контактируют только диски с большим диаметром. Это увеличивает контактное давление. Катки с сегментными вальцами (рис. 6.2, ж) оборудованы гладкими барабанами, на ободе которых имеются сегменты. Укатывающий палец погружается в материал по ободу барабана. Затем он поднимается наверх, к поверхности прилегают только плиты, и контактное давление увеличивается. Катки компакторноготипа имеют вальцы (рис.6.2,з),представляющие собой цилиндрический барабан, на поверхности которого в несколько рядов приварены кулачки симметричной формы. По сравнению с кулачковыми вальцами они имеют меньшую ширину и меньшее число рядов с кулачками. Уплотнение происходит под действием силы тяжести катка, а также в результате сминающего воздействия кулачков.

Катки из многоугольных дисков (рис. 6.2, и) набирают из элементов, расположенных на одной оси один за другим или смещенных один относительно другого. Диски передают материалу сжимающие и сминающие усилия. Возникают дополнительные ударные нагрузки на материал, являющиеся результатом высоких рабочих скоростей (до 40

км/ч) [16].

Наибольшее распространение получили самоходные катки с гладкими металлическими вальцами (рис. 6.3), что объясняется простотой их конструкции и надежностью в эксплуатации. При перекатывании вальца по уплотняемому материалу в последнем

124

возникают внутренние напряжения, что приводит к его деформации. Интенсивность образования необратимых деформаций определяет эффективность работы уплотняющих средств [6].

Рис. 6.4. Схемыгладковальцовых катков: а –одноосный одновальцовый; б–одно- осный одновальцовый с поддерживающими вальцами; в – одноосный одновальцовый с поддерживающими колёсами; г – двухосный двухвальцовый; д – двухосный двухвальцовый; е – двухосный трёхвальцовый с дополнительным вальцом малого диаметра; ж – трёхосный трёхвальцовый

Изучению процесса взаимодействия вальцов дорожных катков с уплотняемой средой были посвящены работы [7, 8, 9, 10, 11, 22, 23, 24, 25, 26, 40, 42]. Катки с гладкими вальцами классифицируют по числу осей и вальцов, по контактному давлению, которое характеризует воздействие вальца на уплотняемый материал, и по принципу действия. По числу осей и вальцов различают катки: одноосные одновальцовые с поддерживающими вальцами или колесами или без них (рис. 6.4, а, б, в); двухосные двухвальцовые с одним или двумя ведущими вальцами (рис. 6.4, г); двухосные трехвальцовые (рис. 6.4, б); двухосные трехвальцовые с дополнительным вальцом малого диаметра (рис. 6.4, е); трехосные трехвальцовые с одним или тремя ведущими вальцами (рис. 6.4, ж).

125

По массе катки разделяют на легкие (масса до 6 т, мощность до 25 кВт), средние (масса 6–10 т, мощность 25–30 кВт), тяжелые (масса более 11 т, мощность более 35 кВт). Самоходные катки с гладкими вальцами классифицируют также по типу трансмиссии: с механической, гидромеханической или гидрообъемной; по

Рис. 6.6. Самоходный пневмошинный

системе управления: с руч-

каток ДУ-100 ным управлением и гидравлическим.

Большое распространение в дорожном строительстве получили катки на пневматических шинах (рис. 6.5), в которых уплотнение материала осуществляется набором пневматических колес, независимо подвешенных на осях.

грунт, но и деформируются сами, при этом величина деформации зависит от степени уплотнения грунта и давления воздуха в шине.

126

Пневматическая шина, сжимаясь под давлением нагрузки, образует так называемую площадь контакта с грунтовой поверхностью. С увеличением нагрузки на шину эта площадь возрастает, а среднее удельное давлениенагрунтпрактически остается постоянным. В связи с этим нагрузку на колесо пневмокатка можно доводить до больших значений, а рабочую массу катка – до 200 т.

Глубина уплотнения грунта пневмоколесным катком зависит от размеров площади контакта в конце укатки при условии, что напряжения на этой площади будут достаточно большими. Чем больше площадь контакта колес катка, тем на большую глубину уплотняется грунт.

Степень уплотнения грунта зависит от величины нормальных контактных напряжений в заключительной стадии уплотнения, а размеры площади контакта шины с грунтом определяют глубину уплотнения грунта (рис. 6.7).

Давление в шинах устанавливают в зависимости от вида уплот-

давления необходимо уменьшать вес балласта. Поэтому в конструкциях пневмоколесных катков должно быть предусмотрено быстрое изменение как давления в шинах, так и балластировки. Максимальное давление воздуха в шинах не должно быть ниже 600 кН/м2, поэтому применение на катках шин низкого давления недопустимо [10].

Толщина уплотняемого слоя грунта зависит от размеров шин, давления в них воздуха и нагрузки на колесо. Толщина слоя растет с увеличением размеров шин, поэтому отмечается тенденция к повышению этих размеров. Для тяжелых катков применяют шины размером 18–28 дюймов и более. При требуемой плотности толщина уплотняемого слоя (в плотном теле) составляет 40 – 45 см. При

127

несколько больших размерах шин и весе катка эта толщина достигает

50 – 60 см.

Эластичность шин в сочетании с возможностью регулирования давления воздуха в них создает благоприятные условия для уплотнения не только грунтов, но также дорожных оснований и покрытий. Этому способствует то, что пневмоколесные катки не дробят каменные материалы, как машины других типов. Преимуществами таких катков являются большая производительность, равномерность уплотнения, высокая маневренность и транспортная скорость, а также возможность регулировать контактные давления. Увеличение времени силового воздействия пневмокатка на уплотняемый материал позволяет сократить общее количество проходов катка по одному следу, необходимых для достижения требуемой плотности.

Однако ряд недостатков, заложенных в конструкцию машин, снижают эффективность их применения. Высоко расположенный центр тяжести машины способствует недостаточной устойчивости на поворотах, а наличие зазоров между шинами (рис. 6.8) способствует поперечному перемещению материала на начальном этапе укатки асфальтобетонного покрытия. Поэтому для обеспечения ровности

дает возможность достижения максимальной степени уплотнения, а

128

задний мост с пневматическими шинами уплотненную поверхность гомогенизирует (затягивает).

Изучению взаимодействия катков на пневматических шинах с уплотняемым материалом посвящены теоретические и экспериментальные работы В.Ф. Бабкова, О.Т. Батракова, А.К. Бируля, С.А. Варганова, Н.П. Вощинина, H.H. Иванова, Я.А. Калужского, О.Ю. Коротина, H.A. Островцева, А.И. Путка, В.А. Смоленцевой, H.A. Ульянова, Н.Я. Хархуты и др. При этом исследовались вопросы устойчивости катков, усовер-

шенствования конструкции, величины и характера распределения давлений по поверхности контакта и по глубине уплотняемого слоя. Исследовалось влияние давления воздуха в шинах на эффективность процесса уплотнения, скорость изменения давления воздуха в шинах и т.д.

В последнее время всё большее количество дорожностроительных предприятий отдает предпочтение вибрационным каткам. Это связано с большим количеством положительных качеств данного средства уплотнения, прежде всего с их высокой производительностью.

6.2. Катки статического действия

6.2.1. Описание процесса уплотнения катками статического действия

Статическое уплотнение осуществляется перекатыванием какого-либо вальца определённой массы (гладковальцового или пневмошинного) по поверхности уплотняемого покрытия, под действием силы тяжести которого происходит деформирование слоя. Получение деформации по мере увеличения плотности уменьшается и

129

к концу укатки приближается к нулю. Дальнейшее увеличение плотности материала может быть достигнуто лишь увеличением нагрузки на валец. С целью достижения проектной плотности в процессе уплотнения необходимо постоянно увеличивать контактные давления

рабочих органов на уплотняемый

материал. Поскольку гладковальцовые катки имеют постоянное давление, в звено машин для уплотне-

ния включают катки, отличающиеся

друг от друга массой и величиной

контактного давления.

С.А. Варганов [22] представляет расчётную схему взаимодействия вальца с уплотняемым слоем следующим образом. Под действием силы тяжести вальца в материале возникают различные условия для уплотнения в трёх зонах

деформаций (рис. 6.10). В первой зоне создаются наиболее неблагоприятные условия, когда материал выдавливается в сторону с меньшим сопротивлением (в сторону перемещения вальца). Объём материала во второй зоне деформации имеет меньше возможностей для бокового перемещения, поэтому здесь преобладают вертикальные деформации. В третьей зоне наблюдается разгрузка материала.

Силовые воздействия уплотняющих машин приводят к изменению плотности. Вместе с этим возрастает сопротивление деформированию, и по мере укатки рост деформации завершается. С целью достижения проектной плотности в процессе уплотнения необходимо постоянно увеличивать контактные давления рабочих органов на уплотняемый материал. На практике это достигается использованием различных типов катков (лёгких, средних и тяжёлых) для укатки смеси. Это приводит к усложнению организации процесса уплотнения,в которомзанятынесколькотипоразмеровмашин,а также ухудшает такие удельные технико-экономические показатели, как трудоёмкость, энергоёмкость и металлоёмкость готовой продукции.

В результате взаимодействия уплотняющих средств со слоем асфальтобетонной смеси на границе «рабочий орган – уплотняемый

130

материал» возникают контактные давления, вызывающие напряженное состояние слоя и соответствующие ему деформации. Эффективность процесса уплотнения определяется рациональным соответствием между контактными давлениями и величиной сопротивления материала деформирова-

нию [33, 51, 72, 104].

Последнее является переменной величиной и зависит не толькоот степени уплотнения, но и от мно-

гих других факторов, наиболее важными среди которых являются температура, скорость деформирования и структура смеси. Это сопротивление определяется структурой материала и особенностью его изменения в процессе уплотнения (меняются свойства среды – вязкость, модуль деформаций, предел текучести). Меняя режимы работы уплотняющих средств (рис. 6.11), можно регулировать воздействие на уплотняемый материал и энергоемкость процесса деформирования.

Основным недостатком дорожных катков является их невысокая производительность. В связи с этим время, необходимое для уплотнения асфальтобетонного слоя, занимает продолжительный промежуток времени, в течение которого смесь остывает, при этом снижается ее деформативность. Это требует не только привлечения более тяжёлых катков, но и увеличения их работы на уплотнении. При этом повышение эффективности использования катков статического действия возможно за счёт правильной организации совместной работы катков и асфальтоукладчика.

Процесс уплотнения заключается в накоплении остаточных деформаций и считается завершённым, когда материал испытывает преимущественно обратимые деформации. В начале укатки деформации довольно значительные и состоят из необратимых сдвигов минеральных частиц относительно друг друга. Сдвиг

131

происходит по плёнкам асфальтовяжущего, поэтому свойства плёнок на этом этапе укатки оказывают значительное влияние на уплотнение. Сопротивление материала деформированию определяется его вязкостью и сдвиговой прочностью.

При последующих проходах катка образуются новые контакты между частицами, которые осуществляются через плёнки вяжущего.

С увеличением плотности материала, возможности взаимных сдвигов частиц становятся всё более ограниченными. Следующий этап уплотнения характерен преобладанием процесса сближения частиц над сдвигом. При этом из зон контактов между частицами происходит выжимание частиц малоструктурированного вяжущего. По мере выжимания вяжущего его плёнки становятся тоньше, прочнее и начинают непосредственно участвовать в деформировании. Процесс уплотнения носит затухающий характер. Сопротивление деформированию значительно возрастает, в то время как доля необратимых деформаций сокращается. Сравнительно небольшое увеличение плотности значительно повышает прочность материала. Например, увеличение коэффициента уплотнения на 1 % в интервале от 0,92 до 1,00 обеспечивает повышение прочности горячего мелкозернистого асфальтобетона на 7–8 %. Поэтому завершение процесса является наиболее важным этапом уплотнения. На завершающей стадии уплотнения происходит понижение температуры покрытия, дальнейшее приложение высоких контактных давлений приводит к дроблению зёрен минерального заполнителя в точках их соприкосновения и разрушению плёнок асфальтовяжущего, что отрицательно сказывается на долговечности покрытия. Необходимо отметить, что подобного недостатка лишены пневмошинные катки.

Увеличение модуля деформации уплотняемого материала от прохода к проходу обусловливает уменьшение сопротивления перекатыванию и приводит к тому, что после некоторого числа проходов катка определенной массы значения осадки уплотняемого материала, сила тяги и коэффициент сопротивления перекатыванию не будут изменяться. Это свидетельствует об окончании процесса уплотнения данным катком. Факт достижения требуемой плотности устанавливается непосредственным ее измерением в готовом покрытии или на образцах в лаборатории. Первый способ предпочтительнее, так как если плотность смеси окажется недостаточной, то остается возможность ее доуплотнения более тяжелым катком.

132