книги / Совершенствование методов нормирования макрошероховатых дорожных покрытий с учётом безопасности дорожного движения

Первые шаги в направлении устройства таких поверхностей были сделаны, когда появились поверхностные обработки, оказавшиеся недолговечными (из-за излишне открытой поверхности с Rz ≥ 15…20 мм) под действием возросшего грузонапряженного и интенсивного движения.

Второй шаг был сделан при появлении асфальтобетона из смеси типа А (ГОСТ 3128–97), однако выступы в нем при существующей технологии уплотнения слоев гладковальцевыми катками оказались закрытыми плотной износостойкой растворной частью смеси (истирающейся в течение 1–2 лет). Содержание щебня в асфальтобетонных смесях типа А обеспечивало нижний предел значений сцепных свойств.

Учитывая, что растворная часть сразу после устройства слоев и на весь период эксплуатации закрепляет щебень, разработаны многощебенистые битумоминеральные смеси (55–85 мас. %). При повышении содержания щебня в смесях увеличивается объем пустот в щебеночном каркасе слоя и заполняющую часть, находящуюся в этих пустотах, невозможно оптимально уплотнить. Применяют заполнение пор не требующим уплотнения материалом типа мастики (щебнемастичные асфальтобетоны), но нуждающимся в качественном вяжущем и специализированных, армирующих мастику, добавках; второй способ – не заполнение пор, а их использование для дренирования воды в слоях дренирующего асфальтобетона [76].

Щебнемастичные смеси имеют минимальные при таком большом содержании щебня (70–80 мас. %) сцепные качества поверхности, так как выступы закрыты вровень с вершинами отдельных зерен щебня, а высококачественная мастика, практически не истирается. Щебнемастичные смеси имеют высокую несущую способность и плотность (2–4 % структурных пор), но более низкую сдвигоустойчивость (прочность при 50 °С – не менее 0,7), чем слои из асфальтобетона из смеси типа А (прочность при 50 ºC не менее 1,0). Известно, что дренирующие асфальтобетоны относятся к слабонесущим [18].

41

Учитывая различные особенности многощебенистых, дренирующих и щебнемастичных смесей, специалисты РОСДОРНИИ нашли оптимальное решение по совмещению различных свойств смесей в одном слое и предложили два типа смесей по консистенции в технологическом состоянии, но со свойствами, одинаковыми в уплотненном состоянии: сыпучей консистенции, уплотняемых нагрузкой, по аналогии с асфальтобетонными смесями типа А по ГОСТ 3228–97, и пластичной консистенции, уплотняемых нагрузкой в 1,5–2 раза меньшей, чем традиционная. Было предложено уплотнять слои из таких смесей пневмокатками – сначала легкими, а затем средними или тяжелыми (возможны варианты), при этом распределение слоя возможно с уплотнением вибробрусом асфальтоукладчика на величину не более 25 % от конечной плотности [18].

Чтобы получить поверхность макрошероховатой, т.е. открытую оптимально, достаточно легкого катка (в условиях лаборатории – 0,5 МПа при конечной нагрузке 40 МПа), уплотнение производится через прослойку из деформируемого материала, например резину. Для окончательного уплотнения слоя, т.е. формирования его структурной пористости, нужен средний или тяжелый пневмокаток (пат. № 1534126).

В соответствии с ТУ 218 РСФСР 601–85 при подборе и контроле состава смеси БМО определяют свойства, аналогичные смесям типа А по ГОСТ 3128–84 (97). Определяют водопоглощение материала (Wп) на образцах, уплотненных на прессе по ГОСТ 12801–84 через резиновую прокладку, а также устойчивость и пластичность при температуре 60 С по Маршаллу. Экстрагированием определяют (контролируют) зерновой состав смеси – соотношение между крупным (10–20 мм) и мелким (5–10 мм) щебнем и содержание частиц мельче 0,071 мм, а также содержание битума [18].

Зависимости коэффициента уплотнения Купл и уплотняемости Упл от толщины слоя показали, что сцепные качества поверхности от толщины макрошероховатого слоя не зависят. Таким образом, макрошероховатые поверхности и плотные при обязательном при-

42

сутствии открытых крупных пор, определяемых водопоглощением, слои из БМО смесей можно получать любой толщины, в пределах от1 до 10 см, если их уплотнятьпневмокатками.

Уплотнение средними катками позволило получить Rz3,0 мм, тяжелыми – 6 мм и более, т.е. удалось, несмотря на очень сильное уплотнение слоя в процессе его распределения асфальтоукладчиком, получить оптимальные значения параметров шероховатости. В процессе отработки технологии было выявлено, что одну и ту же смесь (т.е. смесь одного состава) можно использовать для устройства слоев покрытия от толщины, равной максимальному размеру щебня смеси, до толщины, равной 3–4 максимальным размерам щебня смеси. Коэффициент сцепления резко снижается в первый год эксплуатации: степень снижения зависит от размера щебня, его начальной микрошероховатости, содержания в смеси, износостойкости и т.д. и может быть выше на дороге с меньшей интенсивностью и грузонапряженностью движения. Снижение коэффициента сцепления после первого года эксплуатации может составлять 0,05–0,15. Также истираются и снижаются параметры шероховатости: высота выступа Rz

исредняя глубина шероховатости Нср, по существу, характеризующая объем пустот (впадин) шероховатости на поверхности слоя. Проведенные исследования позволили сделать еще один очень важный вывод: в процессе эксплуатации, при снижении Rz

иНср, величина коэффициента шага шероховатости Кш = Нср/Rz возрастает, т.е. поверхность из шипованно-шероховатой, где

Кш находится в пределах 0,5–0,7, может переходить в шерохова- то-шипованную, где Кш = 0,3…0,5 [76].

После второго, иногда третьего года эксплуатации значения

коэффициента сцепления стабилизируются и составляют не менее минимально допускаемых 0,3 [18].

Объясняя механизм работы макрошероховатых слоев, следует исходить из того, что макрошероховатые слои покрытий, устраиваемые из БМО-смесей по предлагаемому способу, представляют собой слои из щебеночного каркаса контактной и законтактной структуры, пустоты (поры) в котором при устройст-

43

ве и формировании слоев частично переводят во впадины макрошероховатости на его поверхности, а небольшая часть объема пор (2–5 %) при формировании каркаса остается незаполненной в виде открытых крупных пор, не влияющих на долговечность текстурных пор, они определяются при испытании на водопоглощение (Wп, об. %) [18].

Структурные поры, определяющие долговечность материала, сосредотачиваются в заполняющей щебень части смеси в виде пор, условно (что близко к реальности) относящихся по размеру к открытым средним порам, они определяются по водонасыщению под вакуумом (Wн, об. %). Кроме крупных и средних пор в БМО-смесях присутствуют открытые мелкие поры VОМ, объем которых определяется по длительному (15 сут) водонасыщению ( Wдл, об. %) [18].

Для слоев из БМО-смесей определяется суммарное длительное водонасыщение Wдл = Wн + Wдл, для асфальтобетонов добавляется Wп и оно представляет собой объем открытых средних и мелких пор Vоп, опасных с точки зрения долговечности материала. В заполняющую часть входят закрытые поры, безопасные для долговечности VЗП, которые рассчитываются по

формуле: VЗП = Vпор – Wп – Wдл, об. %, где Vпор = (1 – с/ и)100 % ( с и и – средняя и истинная плотность материала). Безопасные поры рассчитывают по формуле VБП = Wп + VЗП, при этом

VОП + VБП = Vпор.

Методически обосновано, что макрошероховатый слой можно получить только из многощебенистых (55–85 мас. % щебня) смесей типа БМО-смесей путем применения специальных технологических приемов при распределении и уплотнении смеси (пат. № 1534126). Суть технологии устройства макрошероховатого слоя состоит в формировании щебеночного каркаса и указанной пористости путем последовательного (при ступенчатом увеличении нагрузки) уплотнения распределенной асфальтоукладчиком (с уплотнением или без уплотнения вибробрусом) многощебенистой смеси через прослойку из деформи-

44

руемого материала, т.е. пневмокатками. Такой режим уплотнения позволяет перевести часть пустот во впадины шероховатости на поверхности слоя и сформировать в его верхней части макрошероховатый поверхностный слой толщиной, равной максимальному размеру щебня смеси или самостоятельный тонкий слой износа. Высота выступов (Rz, мм) в таком слое открыта на оптимальную величину, а объем впадин между ними, характеризуемый средней приведенной высотой впадины (Нср, мм), обеспечивает дренирование воды с поверхности покрытий [76].

Состав заполняющей щебень части смеси и специальные технологические приемы при уплотнении пневмокатками позволяют уплотнить ее внутри пустот щебенчатого каркаса (гладковальцевыми катками этого достичь невозможно) так, что объем VОП опасных для долговечности средних и мелких пор не будет превышать объем этих пор в асфальтобетоне из смеси типа А по ГОСТ 9128–97. Часть пор внутри пустот щебеночного каркаса при уплотнении, находящийся в ней заполняющей части смеси, уменьшается в объеме, освобождается и образует открытые крупные текстурные поры, в которые за 1 ч входит вода (за 1–2 ч – выходит).

В асфальтобетоне Wп составляет 0,5–1,0 % и обычно отдельно от водонасыщения не определяется, а входит в Wн. Как было отмечено в исследованиях Д.И. Гегелия, в асфальтобетоне из смеси типа А, принятой за эталон, 90 % пор открыты. Отличие эталонной пористости от пористости в макрошероховатых слоях состоит в том, что последние содержат в 3–5 раз больший объем открытых крупных текстурных пор, не влияющих на долговечность слоев [18].

Крупные, открытые текстурные поры (VОК), определяемые водопоглощением Wп, выполняют в макрошероховатом слое ряд функций, а именно [18]:

1)улучшают сцепные качества поверхности;

2)наряду с впадинами макрошероховатости, дренирующими воду по поверхности, дренируют часть воды через слой;

45

3)вносят значительный вклад в повышение морозостойкости слоев, так как при замерзании воды в них «отжимается» лед, который не в состоянии разрушить крупные поры;

4)вносят вклад в повышение деформативности слоя, облегчая возможность отдельным щебенкам осуществлять микроперемещения (не меняя своего основного положения) в пленке вяжущего под действием нагрузки и знакопеременных температур, предотвращая тем самым хрупкое разрушение покрытия;

5)вносят вклад в повышение сдвигоустойчивости слоя, облегчая частицам заполняющей щебень части слоя расширяться в них при высоких летних температурах, не создавая вокруг щебня лишнего объема, более текучего при положительных температурах, облегчающего сдвижку частиц щебня в слое.

Щебеночный каркас с законтактной и контактной структурой, образующийся в макрошероховатом слое, и наличие в нем небольшого (2–5 %) объема открытых, крупных текстурных пор принципиально по своей сути обеспечивают трещино- и сдвигоустойчивость макрошероховатого слоя [76].

В макрошероховатых слоях из БМО смесей количество открытых, крупных текстурных пор должно быть минимальным (2–5 %), объем структурных пор в заполняющей части должен быть также минимальным, не более чем в асфальтобетонных слоях из смеси типа А по ГОСТ 9128–97.

Щебеночный каркас должен иметь жесткую контактную или законтактную структуру, пленка вяжущего на отдельных щебенках должна иметь, с одной стороны, хорошее с ними сцепление, а с другой – обеспечивать их микроперемещения (быть достаточно деформативной), предотвращающие разрушение слоя при действии знакопеременных температур и нагрузок. Такие слои получают из БМО-смесей [1, 3], в которых, в отличие от дренирующих и щебнемастичных смесей, используются те же компоненты и с теми же требованиями к ним, что и для асфальтобетонных смесей типа А [76].

Проектирование составов БМО-смесей можно осуществлять

двумя способами: эмпирическим и функциональным. Первый

46

основан на опыте и состоит из подбора соотношений между содержанием щебня, обработанного вяжущим, и заполняющей части: песчаными уплотняемыми (сыпучая консистенция) и литыми (пластичная консистенция) асфальтобетонными смесями по соответствующим стандартам. Такой подбор пригоден для типовых составов. С него можно начать подбор по функциональному способу и сделать это эмпирически: определить набор эксплуатационных свойств для условий применения слоя и подобрать состав, отвечающий требованиям, предъявляемым к этим свойствам. Возможен другой вариант, когда состав рассчитывается и подбирается с учетом получения заданных параметров эксплуатационных свойств [76].

1.5. Выводы по главе 1

Проведен подробный анализ технологий и особенностей применения машин и механизмов для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, а именно шероховатых поверхностных обработок.

Показано, что современные БЩР обеспечивают возможность синхронного распределения вяжущего и щебня требуемой фракции с образованием макрошероховатого дорожного покрытия. Показано также, что макрошероховатое дорожное покрытие образуется в случае, когда не производится операция прикатки щебня катками, что характерно, например, для противогололедного дорожного покрытия типа SafeLane.

Вариативность высот активных выступов и объема структурных пор (глубин впадин) макрошероховатого дорожного покрытия определяют значимость относительных максимальных разновысотности и разноглубинности.

В процессе выполнения технологических операций устройства макрошероховатых дорожных покрытий наблюдаются различные виды дефектов, связанных с неравномерностью перемешивания щебня, распределения щебня и вяжущего. К их проявлениям относится значительная вариативность коэффици-

47

ента сцепления на локальных участках (до 5–10 м) дорожного покрытия. Это требует анализа причин возникновения этих вариативностей и совершенствования методов нормирования, устройства и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий.

Проведен подробный анализ исследований основоположников тематики макрошероховатых дорожных покрытий В.Ю. Гладкова и Л.Г. Паниной, выявлены направления совершенствования их методологического подхода. Результаты аналитического обзора позволили обосновать перспективность дальнейшего исследования данного класса дорожных покрытий с шероховатой поверхностью – макрошероховатых дорожных покрытий, отличающихся повышенной относительной разновысотностью активных выступов иразноглубинностьювпадин(структурных пор) [126].

48

2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ НОРМИРОВАНИЯ, УСТРОЙСТВА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАКРОШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.1.Нормирование дорожных покрытий

сшероховатой поверхностью

Шероховатость дорожного покрытия – свойство поверхности дорожного покрытия, характеризуемое его микрогеометрией, т.е. совокупностью выступов и впадин, и обеспечивающее сцепление шин автомобиля с покрытием, шероховатость определяется наличием на поверхности дорожного покрытия неровностей, не ведущих к деформации шины и обеспечивающих развитие сцепления его с шиной [64, 77, 114, 115]. Шероховатость вызывает снижение скорости движения автомобиля при торможении, она оценивается по степени сцепления покрытия с шиной колеса транспортного средства путем непосредственного измерения коэффициента сцепления.

Изменение шероховатости дорожного покрытия (устройство шумовых полос) вызывает повышение уровня шума и вибрации внутри автомобиля при движении автомобиля по такому покрытию. Это покрытие устраивается из крупнозернистых каменных материалов, которые создают повышенную шероховатость дорожного покрытия.

С учетом работ А.В. Кочеткова, А.У. Табылова и Б.З. Калиева рассматривается классификация шероховатых структур, основанных на параметрах ГОСТ 2789–73 и обеспечиваемом коэффициенте сцепления по требованиям СНиП 2.05.02–85 [32, 35, 93, 130]. Исходя из условий движения, характеризуемых табл. 46 СНиП 2.05.02–85, предлагается классифицировать степень шероховатости по обеспечиваемому коэффициенту сцеп-

ления (табл. 2.1–2.3) [85, 134].

49