1.3. Причины образования дефектов на дороге

1.3.1. Воздействие породно-климатических и температурных факторов на дорогу

Транспортные средства воздействуют на дорогу одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (температурой, влагой, солнечной радиацией и др.). Закономерные изменения водно-теплового режима в течение года дополняются ежесуточными погодными воздействиями. В годовом цикле выделяют четыре характерных периода работы дорожной одежды:

- накопление влаги осенью;

- промерзание, перераспределение и накопление влаги зимой;

- оттаивание и переувлажнение весной;

- просыхая не летом.

Осенью под воздействием потока воды от затяжных атмосферных осадков, проникающих в дорожную конструкцию, происходит переувлажнение слоев дорожной одежды и грунта земляного полотна. Во II дорожно-климатической зоне, к которой относится территория саратовской области, осенняя влажность грунтов нередко достигает 0,7 W_T (W_T — влажность на пределе текучести грунта) и наблюдается их разуплотнение. В водонасыщенных слоях дорожной одежды при прохождении автотранспорта возникают гидравлические удары и динамические перемещения воды. При этом в органно-минеральных материалах часто нарушается адгезия (сцепление) на границе раздела фаз между вяжущим и минеральными частицами и происходит разрушение структуры. В слоях, укрепленных минеральными вяжущими, возможно вымывание водорастворимых компонентов и постепенное их разуплотнение.

Зимой в процессе промерзания земляного полотна наблюдается приток влаги к фронту промерзания. При этом происходит разуплотнение грунта. Аналогично в связанных слоях дорожной одежды возникают растягивающие напряжения за счет замораживания воды в порах. Однако ввиду того, что грунт и слои дорожной одежды находятся в замерзшем состоянии, их прочностные характеристики достаточно велики.

Весной при оттаивании земляного полотна грунт наиболее увлажнен (по 0,85 W_T) и разуплотнен. Чем больше влажность талого грунта, тем меньше его деформационные (модуль упругости Еу) и прочностные характеристики (угол внутреннего трения j, сцепление с). Наименьшие значения Еу, j и с наблюдаются обычно в апреле-мае. В это время дорожная конструкция обладает наименьшей прочностью. Кроме того, суточные колебания температуры вызывают замерзание воды ночью и оттаивание днем, что разрушает структуру связанных материалов.

Летом земляное полотно интенсивно просыхает, влажность грунта уменьшается (до 0,5W_T). Дорожная одежда имеет хорошую опору, однако при высоких температурах возможно размягчение органических вяжущих и колееобразование на покрытии.

1.3.2. Причины появления дефектов

Из вышесказанного следует, что во все времена года под воздействием транспортных нагрузок и погодно-климатических факторов происходят деструктивные процессы, приводящие к появлению дефектов на автомобильных дорогах и необходимости выполнения соответствующих ремонтных работ. В зависимости от конструкции, прочности и состояния дорожной одежды под действием повторяющихся нагрузок в отдельных слоях и в дорожной одежде в целом могут появляться упруго-вязкие деформации либо одновременно упруго-вязкие и вязко-пластические деформации, которые, накапливаясь, могут достичь предельных значений. Для одежды из монолитных материалов наиболее опасны растягивающие напряжения, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных материалов (зернистых) — напряжения сдвига.

Согласно данным Л.П.Васильева, максимальные растягивающие напряжения в асфальтобетонном и подобном ему покрытии возникают на его нижней поверхности по оси действующей нагрузки автомобиля.

Основным видом нарушения сплошности грунтов и слабосвязных материалов дорожной одежды под действием транспортных нагрузок является сдвиг. Чрезмерные напряжения от транспортных нагрузок приводят к возникновению необратимых деформаций. Их развитию способствуют природно-климатические факторы, вызывающие увлажнение, перегрев или промерзание конструкции.

При высоких положительных температурах и тяжелом интенсивном движении прочностные свойства покрытий из материалов на органических вяжущих существенно ухудшаются, появляется опасность возникновения пластических деформаций в виде наплывов, волн, колеи (рис. 1.7), вмятин, сдвигов. При отрицательных температурах такие покрытия приобретают свойства хрупкого тела. При этом значительно повышаются модули упругости и сопротивления сжатию, но одновременно снижается их способность деформироваться без нарушения сплошности. Предельные относительные удлинения асфальтобетона уменьшаются от 0,006-0,002 при 0°С до 0,0015-0,0006 при -20°С. При резком изменении в сторону низких температур такие покрытия растрескиваются вследствие недостаточной деформационной компенсации линейному сжатию. Весной в результате повторяющихся нагрузок от транспорта в покрытии, лежащем на ослабленном основании, возникают многократные прогибы, вызывающие усталостное разрушение в виде сетки трещин.

Напряжения в цементобетонных покрытиях возникают от воздействия нагрузки и изменения температуры.

При нагревании или охлаждении покрытие стремится изменить размеры, но из-за сопротивления сил трения по основанию это становится затруднительным. В результате появляются температурные напряжения. К ним добавляются напряжения от неравномерного распределения температур по толщине и от транспортных нагрузок. Все это приводит к образованию и развитию трещин в цементобетонном покрытии (рис. 1.8). Основываясь на механике разрушения, разработан алгоритм расчета прогноза долговечности бетона по обобщенному критерию трещиностойкости, который учитывает зоны концентрации указанных напряжений в вершинах радиальных трещин, возникающих на границе зерен клинкера и гидратированной массы, зерен мелкого заполнителя и цементного камня, зерен крупного заполнителя и цементно-песчаного раствора. Согласно физической модели бетона (рис. 1.9.) все дефекты структуры бетона как исходные, так и развившиеся в результате силовых и несиловых воздействий делят на пять основных видов:

Рисунок 1.7. Образование колеи

Рисунок 1.8. Трещины на бетонном покрытии

Рисунок 1.9.Физическая модель бетона:

I - зерна щебня; II - зерна песка; III — зерна клинкера; IV — гидратированная масса цемента; Ci—физическая и химическая связи; Cj— адгезионные контакты: 1 —капилляры, заполненные водой симметрично; 2 — капилляры, защищенные допой несимметрично; 3 — микротрещины; 4 - трещины на контакте с зернами; 5 — полости контактов

1 — крупные поры с выходящими на их границы субмикротрещинами, образовавшимися в результате концентрации напряжений вокруг круглого отверстия;

2 - эллипсовидные поры с выходящими на их границы микротрещинами;

3 — трещиновидные дефекты в теле бетона;

4 — краевые трещиновидные дефекты;

5 — радиальные и контактные трещины вокруг зерен и включений.

Характеристики наиболее распространенных деформаций и повреждений дорожной одежды приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Характеристика дефектов дороги

Деформаций и разрушения	Наиболее вероятные причины возникновения дефектов
Покрытия на органических вяжущих
1. Колея и волны Часто наблюдаются на грузопассажирских трассах, а также в местах остановок транспорта	Излишняя пластичность из-за избытка вяжущего или недостаточной теплоустойчивости смеси при высоких температурах (низкая температура размягчения вяжущего, неправильно подобран минеральный каркас), слабое основание
2. Сдвиги и наплывы Наблюдаются на крутых спусках, в местах торможения и остановок транспорта	Аналогично п.1 в условиях недостаточного сцепления покрытия с основанием
3. Выкрашивание и шелушение Наблюдается на всей поверхности	Недостаточно прочное сцепление (адгезия) вяжущего с каменным материалом
4. Выбоины Наблюдается на всех видах покрытий	Недостаточное сопротивление покрытия касательным усилиям от транспортных средств, выбивающих и выдергивающих каменные частицы
5. Трещины - температурные поперечные, располагаются примерно через одинаковые расстояния (не менее 10 м); — косые и поперечные трещины с ответвлениями, не образующие замкнутых фигур (через 1-4 м); — сетки трещин с крупными ячейками; — сетки трещин с мелкими ячейками	Недостаточная деформативная способность покрытия и малая сопротивляемость его напряжениям, возникаемая от изменения температуры. Неоднородность свойств покрытия и основания Воздействие многократной нагрузки Недостаточная прочность дорожной конструкции, старение вяжущего, деструкция бетона
6. Выбоины	Аналогично п. 4 выщелачивание неорганических вяжущих водой и растворами противогололедных материалов
Покрытия на неорганических вяжущих
7. Трещины
— поперечные сквозные;	Превышение допустимого расстояния между швами сжатая или расширения, излишне длительные перерывы в бетонировании
— продольные сквозные;	Деформация в продольных швах, недостаточное качество уплотнения земляного полотна
— неглубокие;	Неравномерное распределение температуры по толщине покрытия, обусловливающее его коробление, недостаточная деформативная способность под действием нагрузки
- волосяные;	Усадка бетона при неправильном уходе после укладки покрытия, низкая морозостойкость материала
— косые вблизи углов плиты;	Недостаточно полное прилегание бетонной плиты к основанию и повышенные напряжения при проезде транспортных средств
8. Колея	Недостаточная прочность и высокая истираемость материала покрытия.
Все виды покрытия
9. Просадка и проломы	Дефекты земляного полотна (недостаточное уплотнение, размыв)

От распределения указанных дефектов, определяемого главным образом составом бетона, зависит способность бетонных покрытии воспринимать транспортные и температурные нагрузки. При неблагоприятных условиях микротрещины в структуре бетона развиваются в макротрещины в слое покрытия. Таким образом, трещины образуются в разное время, в различных местах плит, имеют разные очертания и направления, неодинаковую глубину.