3.2 Типы дорожных одежд

Все дорожные одежды делят по степеням их капитальности и степени обеспечения требований автомобильного движения на три группы:

I. Усовершенствованного типа – покрытия, укладываемые на прочных основаниях. Эти покрытия наилучшим образом удовлетворяют условиям автомобильных перевозок. Они бывают капитальные (цементобетонные и асфальтобетонные покрытия на прочных каменных основаниях) и облегченные (покрытия из щебня или гравия, обработанного органическими вяжущими материалами, на основаниях из камня     или      укрепленного грунта);

II. Переходного типа – покрытия с сравнительно невысоким сопротивлением износу, на которых в процессе эксплуатации часто возникают деформации. Покрытия переходного типа строят для сравнительно невысоких интенсивностей движения с тем, чтобы впоследствии при увеличении движения использовать их как основания для более совершенных

асфальтобетонных покрытий. К покрытиям переходного типа относятся щебеночные, гравийные и шлаковые булыжные мостовые и покрытия из грунтов, укрепленных вяжущими материалами;

III. Низшего типа – покрытия, не обеспечивающие круглогодичного проезда по дорогам. Их строят при малых интенсивностях движения (грунтовые, укрепленные гравием или щебнем или улучшенные введением гранулометрических добавок).

Асфальтобетонные покрытия – наиболее совершенный тип дорожных покрытий. Они состоят из двух или трех слоев асфальтобетонной смеси, уложенной на прочное основание и тщательно уплотненной проходами катков. Асфальтобетон представляет собой искусственный строительный материал, который получается при уплотнении в горячем состоянии смеси, состоящей из подобранного по крупности малопористого каменного остова (щебня или гравия) и песка, связанных между собой смесью тонкого минерального порошка с битумом органическим вяжущим материалом, вырабатываемым из остаточного продукта перегонки нефтегудрона. Его вводят в зависимости от состава асфальтобетонной смеси в количестве от 3,5 до 9%. Минеральный порошок вступает в физико-химическое взаимодействие с битумом, повышая вязкость вяжущего, в результате чего покрытие становится весьма прочным и устойчивым к температурным воздействиям.

По крупности зерен минерального материала асфальтобетоны подразделяются: на крупнозернистые с зернами размером до 40 мм, среднезернистые с зернами до 20 мм, мелкозернистые с зернами 15 (10) мм и песчаные с зернами до 5 мм.

Особенность асфальтобетона – зависимость его свойств от температуры. При неправильном без учета климатических условий подборе состава асфальтобетона возможно растрескивание покрытий зимой или образование на них волн и сдвигов в жаркие летние периоды в южных районах страны.

Асфальтобетонную смесь готовят в специальных установках, в которых нагретый каменный материал тщательно перемешивается с расплавленным битумом и минеральным порошком. Готовую смесь укладывают на подготовленное твердое основание из щебня, гравия или цементобетона. Асфальтобетон обычно укладывают слоями толщиной после уплотнения катками 3,5–4,5 см.

Разновидности асфальтобетонных смесей различаются использованием битумов и температурой укладки. Горячие смеси готовят на вязких битумах и укладывают при температуре не ниже 120 °С. Формирование структуры в основном заканчивается при уплотнении   катками.   Эти   асфальтобетоны  наиболее  прочны. Теплые смеси готовят на полувязких и жидких среднегустеющих битумах. Их укладывают при температуре

60-80 °С. Скорость формирования структуры покрытия в зависимости от битума и погодных условий может колебаться от нескольких часов до нескольких месяцев. Большую роль в этом играет воздействие движения. Для холодных асфальтобетонов используют жидкие битумы. Их можно заблаговременно заготавливать и хранить несколько месяцев на складах. Уложенную и разравненную холодную асфальтобетонную смесь прикатывают катками. Окончательное формирование покрытия достигается в результате повышения вязкости битума, из которого улетучиваются легкие фракции, и уплотняющего воздействия проходов транспортных средств, скорость которых первое время ограничивают.

Асфальтобетон образует ровную, удобную для движения поверхность, смягчающую удары колес. Если для его приготовления применяют щебень твердых, плохо полирующихся горных пород, он при износе сохраняет высокое значение коэффициента сцепления. Лишь при использовании слабых известняковых пород асфальтобетонные покрытия быстро шлифуются и становятся скользкими. Соответствующим подбором состава каменного остова можно получить материал, образующий дорожное покрытие повышенной шероховатости, которая сохраняется в процессе эксплуатации дорог.

Особенность асфальтобетонных покрытий – повышенная скользкость в первые несколько недель после постройки. При укатке на их поверхности создается тонкая пленка битума с минеральным порошком, которая во время дождей образует очень тонкий скользкий смазывающий слой. Поэтому проезжать участки свежеуложенного асфальтобетона, имеющие более темный, чем у старых асфальтобетонных покрытий, цвет, следует с пониженными скоростями, даже если не установлено знака ограничения скорости.

Цементобетонные покрытия обладают большой монолитностью и высоким сопротивлением нагрузкам. Их строят в виде отдельных плит размером в плане 3–4 на б–7 м при толщине, равной в зависимости от категории дороги от 18 до 24 см. Плиты отделяются друг от друга швами, необходимыми для компенсации изменений их длины при колебаниях температуры. Различают швы расширения, сокращающиеся при удлинении плит, и швы сжатия, расширяющиеся при укорочении плит. Для обеспечения совместной работы плит и сохранения их взаимного положения по вертикали в швы вводят короткие стальные стержни диаметром 12–18 мм – штыри, не препятствующие изменению длины плит при колебаниях температуры, но передающие с одной плиты на другую вертикальные нагрузки и частично изгибающие моменты. При постройке цементобетонных покрытий на слабых основаниях в плиты закладывают стальную арматуру.

Цементобетонная смесь – рационально подобранная плотная смесь из цемента, воды, песка, щебня (или гравия), образующая после твердения прочный искусственный каменный материал – бетон. Для использования в дорожном покрытии он должен обладать прочностью при сжатии до 35–50 МПа, а на растяжение при изгибе 4–5,5 МПа.

Бетонную смесь приготовляют в бетономешалках и подвозят на место работ в автомобилях-самосвалах или бетоновозах. Укладывают смесь равномерным слоем при помощи комплектов бетонораспределительных и отделочных машин.

В современных комплектах машин для постройки бетонных покрытий самоходные автоматизированные машины на гусеничном ходу выполняют, следуя вдоль натянутой согласно проектным отметкам струны, все работы – планировку поверхности грунта земляного полотна, укладку бетонной смеси слоем нужной толщины, уплотнение смеси путем вибрирования и трамбования специальными брусьями и окончательное выравнивание ее поверхности выглаживающей лентой.

Для образования швов расширения до начала распределения и уплотнения бетонной смеси через определенные расстояния устанавливают прокладки из дерева или других упругих материалов и штыри для связи между плитами.

Уложенная бетонная смесь постепенно твердеет. Обычно считается, что для этого необходим месяц. В этот период требуется правильный уход за покрытием до набора бетоном проектной прочности. Первое время после укладки бетон укрывают сырыми тканями. После просыхания поверхности бетона ее обрабатывают материалами, образующими на покрытии паронепроницаемую пленку, чтобы содержащаяся в бетонной смеси вода не испарялась, а участвовала в химических процессах твердения бетона, Свежеуложенный бетон защищают от механических повреждений, не допуская хождения по нему людей и проезда автомобилей. Для устройства швов сжатия в верхней части плиты специальной машиной – нарезчиком швов прорезают в начавшем твердеть бетоне бороздку глубиной не менее чем четверть толщины плиты. При сокращении длины плиты во время охлаждения оставшийся ниже бороздки бетон разрывается. В более старых бетоноукладочных комплектах для этой цели в свежеуложенный и уплотненный бетон вдавливали вибраторами рейку.

Швы заполняют смесью битума и минерального порошка или упругими прокладками из синтетических материалов, препятствующими прониканию через них воды в основание дорожного покрытия. Опыт эксплуатации бетонных покрытий при интенсивном движении тяжелых автомобилей показал, что, несмотря на высокую прочность самих бетонных плит, под ними необходимы прочные основания, осложняющие и удорожающие постройку этих покрытий. При непосредственной укладке бетона на грунт или тонкую песчаную прослойку в грунте в результате нажимов упруго прогибающихся при проходах автомобилей плит накапливаются остаточные деформации. Плиты теряют контакт с грунтом. Вначале под ними образуются полости, а затем в плитах появляются трещины. Поэтому на дорогах с высокой интенсивностью движения бетонные покрытия укладывают на прочные основания из щебня или грунта, укрепленного цементом или битумом.

О цементобетонных покрытиях существует мнение, как о чрезвычайно долговечных и прочных. Однако в климатических условиях через несколько лет их эксплуатации под влиянием изменений температуры плит и колебаний влажности подстилающего грунта начинаются процессы шелушения поверхности покрытия, обламывания кромок швов, возникновения трещин.

Ремонт бетонных плит затруднителен. Поэтому после нескольких лет эксплуатации их обычно перекрывают слоем асфальтобетона.

Отмеченные недостатки, а также необходимость использования для цементобетона более качественных каменных материалов, чем для асфальтобетона, привели к относительному уменьшению во всем мире протяжения строившихся цементобетонных покрытий по сравнению с асфальтобетонными. Однако в связи с ограниченностью запасов нефти и ростом ее стоимости особую актуальность приобретает расширение ресурсов органических вяжущих материалов за счет природных и сланцевых битумов, каменноугольных дегтей и других резервов органического сырья. Кроме того, необходимость экономии нефти как ценного химического сырья позволяет ожидать пересмотра в ближайшее время отношения к цементобетонным покрытиям. Этому способствуют также современные методы их автоматизированного строительства, менее трудоемкого, чем строительство асфальтобетонных покрытий.

Усовершенствованные щебеночные покрытия, построенные с применением органических вяжущих (усовершенствованные облегченные покрытия), представляют собой слой щебня или гравия, в который для повышения сцепления отдельных щебенок между собой вводят органические вяжущие битумы или дегти – продукты перегонки каменного угля. Вяжущие способствуют объединению каменного материала в монолитное целое, повышают сопротивление дорожных одежд воздействиям автомобилей и придают одеждам водонепроницаемость.

Различные способы введения вяжущего в процессе строительства определяют различия в структуре получающихся покрытий. Для объединения каменных материалов с вяжущими используют способы смешивания непосредственно на проезжей части или пропитку.

Смешение на дороге обеспечивает при тщательном выполнении достаточно хорошее обволакивание щебня и гравия вяжущим. Гравий или щебень, рассыпанный слоем проектной толщины по проезжей части (с учетом последующего уплотнения), поливают жидким битумом или дегтем из гудронаторов из расчета от 3 до 7 % от его массы в зависимости от содержания в смеси мелких частиц, после чего перемешивают специальными машинами или автогрейдерами. Принудительное перемешивание вяжущего с каменным материалом позволяет устраивать покрытия из плотных смесей, в которых поры в крупном каменном материале заполнены меньшими по объему частицами, а вяжущий равномерно распределен по поверхности каменного остова.

При смешении на дороге применяют жидкие битумы в холодном или слегка подогретом состоянии. Покрытия становятся связными лишь спустя некоторый период времени после испарения легких фракций жидкого битума и его загустения. Так как вяжущие свойства жидких битумов ниже, чем вязких нефтяных битумов, то покрытия, построенные по методу смешения на дороге, обладают меньшей прочностью, чем асфальтобетонные.

В местностях с влажным климатом используют также органические вяжущие в виде эмульсий – взвесей мелкораздробленного до коллоидного состояния вяжущего в воде, в которую добавлено специальное вещество – эмульгатор, препятствующий слипанию мельчайших капелек вяжущего во время хранения. Вступая в контакт с поверхностью каменных материалов, эмульсия распадается, образуя на них битумную пленку. Работы с эмульсиями, применяемыми без подогрева, можно вести при сырых каменных материалах и  температурах не ниже 5 °С.

Пропитка – введение разогретых вязких битумов или эмульсий в покрытие путем розлива по поверхности слегка прикатанного слоя щебня одинаковых размеров. Вяжущее просачивается по порам в глубь россыпи, после чего поверхность покрытия засыпают мелким щебнем и уплотняют тяжелыми катками, вдавливающими его в поры между частицами крупного щебня. Устойчивость покрытий по типу пропитки обеспечивается главным образом заклинкой щебня, создаваемой в процессе укатки. Недостатком этого типа покрытий является относительно большой расход вяжущих материалов и не вполне рациональное их использование. Битум, просачивающийся по пустотам россыпи каменных материалов, не проникает в точки контакта между щебенками, где его действие было бы особенно эффективно, и образует сгустки в этих пустотах. При пропитке расходуется примерно 1 л битума на 1 м² площади на каждый сантиметр глубины обработки покрытия, не считая расхода на последующую поверхностную обработку.

Покрытия, построенные по способу пропитки, водопроницаемы. Поэтому на них обязательно устраивают поверхностную обработку. Они выдерживают интенсивность движения до 1500– 2000 авт./сут.

Все указанные разновидности щебеночных и гравийных покрытий, обработанных битумом, в уплотненном состоянии по внешнему виду почти не отличаются друг от друга, тем более что на них обычно устраивают поверхностную обработку. После некоторого периода эксплуатации и дополнительного уплотнения движением они имеют темно-серую поверхность, на которой не заметно выступающих крупных частиц. Условия эксплуатации автомобилей на описанных покрытиях, находящихся в исправном состоянии, практически одинаковы. Точно определить тип покрытия можно лишь путем высверливания буровым станком цилиндрического образца – керна или пробивки в нем небольшого отверстия – лунки, позволяющей видеть покрытие в разрезе. При возникновении деформаций на поверхности обнажаются отдельные щебенки, по крупности и составу которых можно также определить тип покрытия.

Покрытия, построенные с применением органических вяжущих, устраивают на ровных и прочных каменных основаниях, имеющих правильный поперечный профиль. Иногда их укладывают в процессе ремонта на существующих покрытиях, выровняв предварительно их поверхность.

Эксплуатационные качества покрытий, построенных с применением органических вяжущих, зависят от правильного дозирования вяжущих. В жаркую погоду при избытке битума поверхность покрытий размягчается и их сопротивление нагрузкам снижается, а в местах частых торможений автомобилей возникают сдвиги. При длительной стоянке автомобилей на одном месте на покрытиях остаются отпечатки шин. Избыток битума выступает на поверхность покрытий, а при проезде автомобилей шины начинают как бы прилипать к покрытию. Это повышает сопротивление качению на 5–10 %.

Как уже отмечалось, на дорожных покрытиях часто устраивают защитный слой – поверхностную обработку. Она сравнительно быстро изнашивается движением, и поэтому ее обычно не включают в число конструктивных слоев дорожной  одежды.

Поверхностная обработка – тонкий защитный слой, создаваемый на поверхности дорожной одежды путем розлива из гудронаторов 2–2,5 л/м² разогретого вязкого битума с последующей засыпкой очень мелким щебнем твердых пород и прикаткой. В зависимости от количества разлитого битума и числа слоев рассыпанного щебня различают одиночную и двойную поверхностные обработки. Поверхностная обработка защищает покрытие от износа и делает его водонепроницаемым. Последнее обстоятельство способствует уменьшению влажности грунтового основания и положительно отражается на прочности дорожной одежды.

Путем устройства поверхностной обработки с засыпкой остроугольной каменной мелочью твердых каменных пород может быть существенно повышен коэффициент сцепления шин с покрытием на кривых малых радиусов, на подъемах и на участках, где автомобилям часто приходится тормозить. Поверхностная обработка – наиболее быстрый  и  надежный способ повышения безопасности движения в местах, где причиной дорожно-транспортных происшествий является скользкость покрытий.

Следует учитывать, что в первые дни после устройства поверхностной обработки, пока рассыпанный щебень еще полностью не связан битумом и не произошло его уплотнения движением, при проезде автомобилей отдельные щебенки вырываются и отбрасываются шинами ведущих колес, разбивая ветровые стекла едущих сзади автомобилей. Дорожники обычно ставят на таких участках предупреждающие плакаты, но независимо от их наличия целесообразно проезжать хорошо заметные участки со свежесделанной поверхностной обработкой при пониженных скоростях, выдерживая увеличенную дистанцию между автомобилями.

Мостовые – покрытия и основания, составленные из отдельных естественных или искусственных камней, они имеют прочную поверхность, хорошо сопротивляющуюся износу.

Постройка мостовых на дорогах с каждым годом сокращается из-за невозможности механизации строительных работ и необходимости установки камней (мощения) вручную. Приготовление камней необходимых размеров для мостовых обходится дорого и сопровождается большим количеством отходов.

Различают мостовые усовершенствованные и булыжные, или осколочные. Усовершенствованные мостовые строят из каменных брусков правильной формы (брусчатка, мозаика), искусственных каменных материалов – специального кирпича (клинкера), обжигаемого при высоких температурах, или брусчатки, отливаемой из металлургических шлаков.

В усовершенствованных мостовых отсутствует заклинка отдельных камней, и поэтому для них необходимы прочные щебеночные, гравийные или бетонные основания. Такие мостовые выдерживают движение свыше 3000 авт./сут. Усовершенствованные мостовые теперь строят только в больших городах, на главных магистралях и центральных площадях, где происходят парады, и в отдельных случаях на дорогах промышленных предприятий, так как по ним возможен проезд гусеничных машин и повозок на металлических шинах. Чтобы в швах между камнями не накапливалась вода и грязь, их заполняют битумом или цементным раствором.

Булыжные мостовые строят из грубооколотых камней (шашки), имеющих форму, приближающуюся к усеченной пирамиде. Камни укладывают вплотную друг к другу таким образом, чтобы не получалось длинных швов, втапливая их нижней частью в песчаный слой и расклинивают щебнем. Булыжные мостовые устраивают на второстепенных дорогах или как покрытия временного типа и основания под более совершенные покрытия. Они выдерживают интенсивность движения до 1000 авт./сут, однако в связи с их неровностью возможная скорость движения по булыжным мостовым невелика.

Долгое время существовало мнение, что мостовые ввиду их шероховатости являются наиболее подходящим типом покрытий на участках дорог с большими продольными уклонами. Однако практика эксплуатации дорог показала обратное – в период гололедицы, а также при загрязнении мостовые оказываются более скользкими, чем, например, асфальтобетонные покрытия. В процессе службы дорог усовершенствованные мостовые часто шлифуются шинами и становятся скользкими. Для восстановления шероховатости иногда периодически производят насечку их поверхности.

Щебеночные покрытия устраивают из раздробленного камня (щебня). Щебень перед укладкой рассортировывают по крупности путем прогрохотки на несколько размеров (фракций). При постройке щебеночных покрытий вначале рассыпают основной слой наиболее крупного щебня с частицами размером 50–75 мм, который уплотняют самоходными катками. Для лучшего уплотнения, чтобы уменьшить трение между щебенками, щебеночную россыпь в процессе укатки поливают водой. Затем россыпь засыпают более мелким щебнем (клинец размером 15–25 мм), который вдавливается катками в промежутки на поверхности слоя крупного щебня. На последнем этапе постройки более мелкие поры, оставшиеся после укатки клинца, заклинивают каменной мелочью размером 5–15 мм.

Таким образом, прочность щебеночных покрытий обеспечивается взаимной заклинкой каменных частиц, создаваемой при уплотнении, а также цементирующим эффектом каменной пыли, образующийся при трении щебенок друг о друга при укатке. Решающим фактором в устойчивости покрытия является трение между щебенками. Попадание в щебеночное покрытие глины, размягчающейся при увлажнении, значительно снижает его прочность во влажные периоды года. Поэтому щебень не должен быть загрязненным.

Щебеночные покрытия обладают малым сопротивлением износу, так как касательные усилия от пневматических шин нарушают заклинку, созданную при укатке во время строительства. Поэтому такие покрытия строят лишь на дорогах с интенсивностью движения не выше 250–300 авт./сут. В настоящее время их преимущественно используют как основания под покрытия, устраиваемые с применением органических вяжущих материалов.

По внешнему виду щебеночные покрытия близки к гравийным, однако поверхность их более монолитна и шероховата. Отдельные щебенки, выступающие на поверхности и особенно в выбоинах, имеют острые грани.

Гравийные покрытия устраивают из естественной смеси мелких окатанных обломков прочных горных пород размером не более 70 мм. Гравий добывают у подножья горных склонов, где он образуется в результате выветривания горных пород, а также из отложений в руслах и по берегам рек и озер, в которые он перенесен водой. Окатанный гравий менее пригоден для дорожных работ из-за малой связности в покрытиях. В дорожном строительстве гравий, добытый в карьерах, рассыпают по полотну. Обычно при этом покрытию придают серповидный профиль, покрывая гравием все полотно дороги от бровки до бровки и сводя толщину слоя к нулю на обочинах.

Гравийные покрытия малосвязны и требуют частых ремонтов, преимущественно выравнивания поверхности. Они особенно подвержены образованию волн – ритмически повторяющихся неровностей, расположенных через 90–120 см.

Покрытия получаются более прочными, когда путем перемешивания материала из нескольких карьеров или просеивания гравий подбирают по крупности таким образом, что получается наиболее плотная (оптимальная) смесь, в которой поры между крупными частицами заполнены частицами более мелкими (мелким гравием, песком, пылью). Связность дорожной одежды обеспечивается также склеивающим действием мелких глинистых частиц. В этом случае допускается движение до 250–300 авт./сут. Прочность гравийных покрытий может быть повышена добавлением в карьерный материал дробленого гравия.

По внешнему виду гравийное покрытие представляет собой плотную поверхность из отдельных каменных частиц округленной формы, имеющих размеры от 2–3 до 50–60 мм, связанных грунтом. В сухое время года дороги с гравийными покрытиями всегда сильно пылят.

Дорожные покрытия и основания из грунтов, улучшенных добавками вяжущих, представляют собой простейший тип покрытия.

Грунты существенно снижают свою прочность при насыщении влагой. Постоянное сопротивление их нагрузкам в течение всего года может быть обеспечено только введением в них вяжущих материалов, придающих грунтам устойчивость, сохраняющуюся при изменении влажности. Наибольшее распространение получило укрепление грунтов неорганическими вяжущими – цементом и известью. Грунты, обработанные известью, используют только в основаниях дорожных одежд.

Дорожные одежды из супесчаных грунтов, обработанных цементом, при достаточной толщине и устройстве на них защитного слоя поверхностной обработки выдерживают движение интенсивностью до 500 авт./сут.

При устройстве покрытий разрыхленный грунт тщательно перемешивают с рассыпанным по нему цементом машинами, работающими по принципу фрезы, затем увлажняют водой, придают правильный поперечный профиль и уплотняют. Покрытие приобретает прочность через несколько дней после твердения цементогрунта. Срок службы покрытий и оснований из цементогрунта и их прочность во влажные периоды во многом определяются тщательностью размельчения комочков грунта, которую современные машины обеспечивают в недостаточной степени.

Грунтовые дороги практически не имеют покрытия. Движение происходит непосредственно по поверхностным слоям грунта, уплотненным проездом.

Для улучшения отвода воды грунтовые дороги профилируют, т. е. придают им выпуклый поперечный профиль последовательными проходами автогрейдеров. При этом по краям дороги устраивают неглубокие треугольные канавы, грунт из которых используют для придания выпуклости полотну дороги. Грунтовые дороги могут обеспечить движение небольшой интенсивности и только в сухой период года. Основная причина, ограничивающая интенсивность движения по грунтовым дорогам в сухое время,– образование пыли. После дождей на поверхности грунтовых дорог образуются колеи и сопротивление движению возрастает. На скользкой поверхности грунта колеса буксуют, а автомобили сносит по наклону поперечного профиля в канавы. Эксплуатационные качества таких автомобильных дорог зависят от грунтовых условий.