дорожное строительство

Исполнитель НИИМосстрой

Разработчик НИИМосстрой

Автор/авторы

А.В. Руденский, д.т.н.

Существующее положение в области эксплуатации и строительства автомобильных дорог, сокращение сроков их службы в условиях увеличения интенсивности движения автотранспорта вынуждает основные силы и средства дорожных организаций направлять на ремонт дорожных покрытий.

Сроки службы асфальтобетонных покрытий в городе, представляющих собой основной тип дорожных одежд, как правило, недопустимо низки.

Опыт эксплуатации покрытий городских улиц и магистралей показывает, что при интенсивном движении автотранспорта срок их службы составляет не более 4-5 лет, а нередко 2-3 года.

Состояние асфальтобетонных покрытий оказывает существенное влияние на эффективность работы автомобильного транспорта. Всевозможные повреждения и неровности на дорожном покрытии приводят к перерасходу топлива автомобилями. Возникновение повышенного уровня вибраций ускоряет износ и дорожного покрытия, и автомобилей. Вследствие этого стоимость перевозок автомобильным транспортом в 1,5 раза, а расход горючего на 30% превышают аналогичные показатели развитых зарубежных стран. Расчеты показывают, что увеличение общей площади повреждений покрытия на 1% приводит к увеличению расхода топлива при движении по дороге также на 1%.

Качество и долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий в значительной степени определяются качеством битума, поскольку все свойства асфальтобетона, как термопластичного материала, определяются свойствами битума.

Установлено, что одна тонна высококачественного битума, использованного для улучшения транспортно-эксплуатационного состояния дорожного покрытия, экономит 3 т автомобильного топлива. Ежегодная экономия, получаемая за счет применения битумов повышенного качества, продления сроков службы асфальтобетонных покрытий и снижения расхода топлива может составить сотни миллионов рублей.

Наиболее распространенным видом повреждений дорожных покрытий являются трещины, которые инициируют развитие других повреждений – выкрашиваний, выбоин и пр.

Наблюдение за состоянием дорожных конструкций с асфальтобетонными покрытиями показывает, что образование трещин происходит вследствие возникновения растягивающих напряжений в слоях покрытий под воздействием эксплуатационных (транспортных) нагрузок и резких перепадов температур в покрытии в отдельные периоды эксплуатации. При исследовании напряженно-деформированного состояния дорожных одежд с асфальтобетонными покрытиями необходимо учитывать многие факторы, включающие погодно-климатические условия города, конструкцию дороги, условия эксплуатации и др.

Характеристики асфальтобетонного покрытия в значительной степени определяются свойствами асфальтобетона, физико-механические свойства которого меняются в широком диапазоне в зависимости от температуры и условий деформирования. Эти изменения могут носить как обратимый, так и необратимый характер.

Колебания температурного режима асфальтобетонного покрытия представляют собой типичный стохастический процесс, анализ которого требует оценки состояния покрытия в разные отрезки времени в течение всего срока службы.

Транспортно-эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий претерпевают в течение срока службы существенные изменения, связанные с циклическим характером колебаний температур, воздействием неоднородного транспортного потока, переменными условиями воздействия солнечной радиации, влажности и других факторов. Температурный режим асфальтобетонного покрытия - один из основных факторов, определяющих изменения его характеристик в процессе эксплуатации.

На температуру асфальтобетонного покрытия влияют температура воздуха, угол падения солнечных лучей, облачность, условия теплообмена на границе покрытие-воздух, тепловая инерция и др.

В соответствии с циклическими изменениями температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации температура асфальтобетонного покрытия также претерпевает циклические изменения, причём по мере увеличения глубины расположения слоя под поверхностью покрытия амплитуда колебаний температуры уменьшается, а максимум температуры смещается на более позднее время.

Характерная картина изменений температуры асфальтобетонного покрытия в течение одних суток приведена на рисунке 1. Измерения проведены в г. Москве в летнее время при безоблачной погоде. На рисунке 2 показано изменение значений наибольших суточных температур асфальтобетонного покрытия на том же участке покрытия в течение года.

Циклы колебаний температуры асфальтобетонного покрытия характеризуются большим непостоянством вследствие нерегулярных колебаний температуры воздуха, переменной облачности, выпадения осадков. Так, если летом в солнечную погоду определяющим фактором является интенсивность солнечной радиации, то в пасмурную погоду и в осенне-зимний период - тепловая инерция конструкции и, в частности, тепловой поток, идущий от нижних слоёв дорожной одежды. В результате зимой температура покрытия в дневное время может быть ниже температуры воздуха.

Летний дождь приводит к резкому охлаждению покрытия, которое может составить 15˚С/ч.

Исследования показали, что нестационарный характер изменений ряда факторов, влияющих на температуру асфальтобетонного покрытия в процессе эксплуатации, не позволяет получить эффективную математическую модель температурного режима покрытия, основанную на использовании известных решений теплофизики.

Особенно сложно прогнозировать изменения температурного режима покрытия зимой и в пасмурные дни. Общее представление о характере изменений температурного режима асфальтобетонных покрытий дают средние значения максимальных дневных температур в разных точках покрытий. В городе в жаркие дни летом температура поверхности покрытия может достигать 55-60˚С, а зимой ночная температура покрытия может опуститься до - 35˚С и ниже. Таким образом, диапазон колебаний температуры поверхности асфальтобетонного покрытия при эксплуатации может достигать 100˚С и более.

На температурный режим покрытия может влиять расположение участка, уклон дороги, наличие застройки, зеленые насаждения и другие факторы.

В районе г. Москвы в июле на участке дороги с уклоном 4%, обращённом к югу, максимальная температура покрытия повышается с 51,5˚С до 53,4˚С, а при уклоне 8% - до 55,9˚С. При уклоне к югу 8% температурный режим участка покрытия в районе г. Москвы в солнечную летнюю погоду будет таким же, как на горизонтальном участке покрытия в районе г. Воронежа. При 4% уклоне дороги к северу максимальная температура покрытия в июле в г. Москве составит 49,5˚С по сравнению с 51,5˚С на горизонтальном участке.

В слоях асфальтобетонных покрытий, расположенных на некоторой глубине, амплитуда колебаний температуры меньше, чем в поверхностном слое, причём суточные максимумы температуры устанавливаются с запаздыванием. В результате в разных слоях асфальтобетонного покрытия градиент температур может достигать 20-30˚С, что заметно сказывается на его несущей способности.

Анализ распределения температур по слоям покрытия в солнечную погоду в г. Москве показывает, что модули упругости слоев претерпевает как суточные, так и сезонные изменения в соответствии с изменениями температурного режима дорожной одежды. В результате в процессе эксплуатации несущая способность дорожных одежд меняется.

Например, модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия при температуре 50˚С, определяемой в статическом режиме действия нагрузки, соответствующем стоящему или тормозящему автомобилю, составляет 5,0 - 10,0 МПа. Зимой при низкой температуре модуль упругости слоя асфальтобетонного покрытия, определяемый в динамическом режиме, соответствующем воздействию быстро движущегося автомобиля, может достигать 15.000–20.000 МПа. Следовательно, показатели несущей способности слоя асфальтобетонного покрытия могут изменяться в процессе эксплуатации в десятки раз. Обобщённые данные измерений температуры в разных слоях асфальтобетонных покрытий при различном рельефе трассы, направлении и величине уклонов могут быть использованы в виде расчётных коэффициентов при анализе условий работы асфальтобетонных покрытий и назначении расчётных режимов их работы.

Наряду с обратимыми изменениями свойств в асфальтобетонном покрытии под воздействием процессов усталости и старения возникают и необратимые изменения. Вследствие увлажнения, промерзания и разуплотнения несвязных слоёв основания и земляного полотна происходят обратимые и необратимые изменения модуля упругости.

На покрытие воздействует автотранспорт. Обычно расчётные транспортные нагрузки принимаются для движения по ровным прямолинейным и горизонтальным участкам. При движении по криволинейным участкам на покрытие действует поперечная сила, при движении на уклонах – дополнительные силы вдоль оси движения.

В зоне пересечения дорог, у светофоров от торможения автомобилей возникают дополнительные горизонтальные нагрузки на покрытие.

Движение автотранспорта по неровным участкам покрытия, выбоинам, волнам, колеям приводит к местным динамическим перегрузкам.

Следует учитывать старение асфальтобетона, вызывающее изменение  его свойств под действием солнечной радиации, кислорода воздуха, процессов взаимодействия битума с минеральными компонентами смеси, загрязнений, проникающих в поры покрытия, солей, применяемых для борьбы с гололёдом, топлив и масел, попадающих на покрытие с автомобилей.

В той или иной степени эти факторы могут влиять на свойства асфальтобетона и, следовательно, на работу покрытия. Изменение свойств асфальтобетона под влиянием процессов усталости, развивающихся при многократном воздействии нагрузок от автотранспорта, приводит к образованию трещин.

Для повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий целесообразно использовать трещинопрерывающие прослойки - армирующие геосетки и прослойки мембранного типа. Имеется большой выбор армирующих геосеток с разными характеристиками. Для трещинопрерывающих прослоек мембранного типа толщиной 3-4 см используют модифицированные битумные вяжущие с повышенными деформативными характеристиками.

Другое направление - повышение трещиностойкости самого асфальтобетона, что достигается введением в состав асфальтобетона армирующих волокнистых наполнителей, а также применением полимербитумных, резинобитумных и других видов композиционных битумных вяжущих с улучшенными характеристиками деформативности и широким диапазоном пластичности.

В состав материалов на основе битумных вяжущих можно вводить органические полимерные волокна, образующиеся при производстве лавсана. В качестве органических волокон в составе композиционных органических вяжущих находят применение также целлюлозные и другие растительные волокна.

Известно применение стекловолокна, базальтового и асбестового волокна, природного микроармирующего наполнителя – волластонита. Волластонит представляет собой природный силикат кальция CaSiO3, не растворимый в воде и органических растворителях, состоящий из удлиненных кристаллов игольчатой формы, имеющих отношение длины волокон к диаметру в пределах от 3:1 до 20:1 с удельной поверхностью 1000-4000 см2/г.

Разнообразие способов повышения долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий ставит задачу оптимального выбора технико-экономического решения, учитывающего условия строительства и эксплуатации.

Целесообразность использования того или иного решения определяют с учетом следующих критериев эффективности:

1 Техническая эффективность определяется тем, в какой степени используемый модификатор обеспечивает улучшение показателей качества битума.

2 Технологическая эффективность определяется тем, насколько предлагаемое решение соответствует возможностям производства, требуется ли введение дополнительных технологических операций, использование специального оборудования и др.

3Экономическая эффективность определяется тем, в какой мере увеличение стоимости полученного вяжущего оправдано улучшением его характеристик и возможностью продления срока службы асфальтобетонного покрытия.

Использование трудоемких технологических процессов, дорогих технических решений может существенно ограничить область их применения, несмотря на предполагаемую высокую долговечность асфальтобетонного покрытия.

На основании изучения и обобщения опыта строительства дорожных асфальтобетонных покрытий и анализа эффективности различных технических решений ГУП «НИИМосстрой» в 2007 гг. разработаны «Технические рекомендации по устройству дорожных конструкций с применением асфальтобетона» ТР 103-07.

В рекомендациях изложены новые технологии по устройству дорожных асфальтобетонных покрытий, специальные составы асфальтобетонов, а также особенности устройства асфальтобетонных покрытий зимой, на мостах, укладки и уплотнения толстых слоев асфальтобетонных смесей, тонкослойных покрытий.

ГУП НИИМосстрой,119192, Москва, Винницкая ул., д. 8
Лаборатория дорожного строительства
тел.8(495) 147-42-58, факс: 8(495) 147-42-95
www.niimosstroy.ru