                   
УДК 625. 7/.8
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАКРОШЕРОХОВАТЫХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
И ТЕХНОЛОГИЙ ПО ИХ УСТРОЙСТВУ
Янковский Л.В.
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Министерство образования и науки Российской Федерации, Пермь, Россия, (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., д. 29), e-mail: yanekperm@yandex.ru.
В статье рассмотрены вопросы по применению современных макрошероховатых покрытий и технологии их устройства. В настоящее время существуют различные виды шероховатой поверхностной обработки, которые можно устраивать разнообразными методами с использованием разнообразного оборудования. Наиболее распространенным покрытием является - щебеночно-мастичный асфальтобетон. Все большее распространение получили специальные шероховатые поверхностные покрытия. Современные технологии применения битумощебне-распределителей позволяют синхронно распределять битум и щебень. Существуют также дорожные покрытия с макрошероховатостью, устраиваемые без операции прикатки дорожными катками. Например, покрытия из материала SafeLane™.
Ключевые слова: макрошероховатость, шероховатая поверхностная обработка, дорога, дорожное покрытие, технология устройства покрытия, щебеночно-мастичный асфальтобетон
SCIENTIFIC AND TECHNICAL REVIEW OF QUESTIONS OF APPLICATION OF MODERN MACROROUGH ROAD CARPETS
AND TECHNOLOGIES ON THEIR DEVICE
Yankovsky L. V.
Perm national research polytechnical university, Perm, Russia (614990, Perm, Komsomol avenue, 29), e-mail: yanekperm@yandex.ru.
In article questions on application of modern macrorough coverings and technology of their device are considered. Now there are different types of a rough surface treatment which can be arranged with various methods with use of the various equipment. The most widespread covering is - stone mastic asphalt. Special rough superficial coverings gained ground. The current technologies of use of bitumoshchebne-distributors allow to distribute bitumen and crushed stone synchronously. There are also road carpets with a macroroughness arranged without operation of a prikatka by road skating rinks. For example, coverings from material SafeLane™.
Keywords: macroroughness, rough surface treatment, road, road carpet, technology of paving, stone mastic asphalt
В настоящее время массово применяется шероховатая поверхностная обработка (ШПО) – технологический процесс по устройству макрошероховатого слоя с целью обеспечения шероховатости, износостойкости, водонепроницаемости и плотности покрытия. Известны технологии устройства макрошероховатости покрытий способами обработки поверхности - шелушение, пропиливание, рельефное уплотнение, формование, втапливание, поливка, устройство тонкого шероховатого по структуре слоя, литые эмульсионно-минеральные смеси, битумоминеральные смеси, полимерные битумоминеральные смеси, крупнозернистый асфальтобетон, резинобитумные смеси и т.п. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].
Самый известный способ получения шероховатости верхнего слоя дорожного покрытия - это устройство асфальтобетонного покрытия по типовой технологии с применением обрезиненных вальцов [11]. В настоящее время в России и за рубежом всё больше начали применять щебеночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА) [13, 14]. Они обладают повышенными сцепными качествами и повышенной прочностью. Для отечественных условий существуют методические рекомендации для устройства верхнего слоя дорожного покрытия из ЩМА [15, 16, 17, 18, 19].
Регламентируемые СНиП 2.05.02-85 и ее актуализированной редакцией [20] условия применимости марок и типов асфальтобетона, минимальные коэффициенты яркости покрытий и сцепления для различных условий движения, а также предлагаемые СНиП 3.06.03-85 [21] величины норм ровности и параметры шероховатости поверхности покрытий, дают возможность контролировать целый перечень их важнейших технико-эксплуатационных свойств.
Для уменьшения затрат на работы по устройству шероховатых дорожных покрытий и продления строительного сезона используют крупнозернистую асфальтобетонную смесь, обладающую разреженной структурой макрошероховатости [8, 22, 23, 24, 25, 26, 27].
Влияние применения макрошероховатых дорожных покрытий на изменение коэффициента сцепления (с учетом скорости движения транспортных средств) показано на рисунке 1.
Рис. 1. График коэффициента сцепления φ при различной шероховатости дорожного покрытия (при разной скорости V движения транспортных средств, по данным Ю.Н. Кузнецова [28])
Макрошероховатость дорожного покрытия также сильно влияет на изменение показателей безопасности движения, это также подтверждает актуальность настоящей темы исследований. Известно, что при улучшении качества сцепления колес с шероховатым покрытием снижается количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Например, на федеральных автомобильных дорогах в 2010 году произошло 2697 ДТП (вне населенных пунктов 76,5%). В 29,5% случаях это происходило из-за низких сцепных характеристик дорожного покрытия. Пример эффективности применения шероховатых поверхностных обработок представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Пример эффективности применения шероховатых поверхностных обработок по данным ФАУ «РОСДОРНИИ» об аварийности на сети федеральных автомобильных дорог
Существует большая группа типов поверхностных обработок в виде шероховатой по структуре поверхности, которые достигаются применением различными технологиями. Наиболее отработанной является технология способом поливок, которая включает в себя раздельное последовательное нанесение на поверхность устраиваемого слоя вяжущего (битума) и каменного материала (щебня) [29, 30, 31, 32]. Известна также технология устройства ШПО с применением вспененного битума [33]. Другие методы устройства поверхностных слоев подробно описаны Л. А. Горелышевой [34].
Для проведения работ применяются нормативно-технические документы: инструкция по устройству ШПО, типовые технологические карты, пособие по устройству поверхностной обработки.
Пример макрошероховатого дорожного покрытия из гравия (разнопрочного и разноразмерного материала) представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Устройство макрошероховатых дорожных покрытий из гравия
Типовые примеры состояния эксплуатируемых макрошероховатых дорожных покрытий на сети федеральных и территориальных автомобильных дорог общего пользования приведены на рисунке 4.
а б
в г
Рис. 4. Типовые примеры дефектов эксплуатируемых макрошероховатых дорожных покрытий
На рисунке 4 видны дефекты, в том числе в виде участков сегрегации (неоднородного распределения щебня), а также поврежденности в виде выпотевания и областей вырванного щебня, неровных кромок. Зарегистрировано отсутствие плотного прилегания щебенок друг к другу.
Шероховатая поверхностная обработка применяется, в том числе и в качестве профилактического слоя. Эти слои предохраняют другие конструктивные слои дорожной одежды от преждевременного разрушения и износа, т.к. они подвержены истиранию от движения транспорта, предохраняя дорожную поверхность.
Такой слой требует только периодического обновления для придания дорожной поверхности ее первоначальных свойств. Также этот шероховатый слой дорожного покрытия обеспечивает необходимое сцепление и хорошее дренирование воды с поверхности, что приводит к понижению уровня аквапланирования и создает препятствие образованию гололеда [35, 36, 37, 38].
Установлено, что для отечественных условий наиболее распространенными и перспективными являются следующие технологии ШПО [39, 40]:
- технология ШПО методом проливок и с разделенным во времени распределением щебня и вяжущего;
- устройство верхнего слоя дорожного покрытия из ЩМА, который производится на обычном оборудовании приготовления укатываемых асфальтобетонных смесей;
- устройство верхнего слоя покрытия и обычного асфальтобетона с расчетными свойствами поверхности, с использованием метода втапливания черного щебня одномерной фракции или многощебеночного пористого асфальтобетона с переменной гранулометрией;
- технология ШПО с синхронным распределением битума и щебня.
Для устройства ШПО с повышенным сроком службы надо применять вяжущие, которые прочно, надолго и однородно присоединялись к поверхности дорожного покрытия.
Такое соединение обеспечивается конструкционной системой «дорожное покрытие - вяжущее – щебень». Каменный материал (щебень) должен быть надежно прикреплен к поверхности основания и связан между собой.
При устройстве ШПО должна быть сформирована стабильная во времени система «дорожное покрытие - вяжущее – щебень», расход вяжущего должен быть достаточным, для того чтобы каждая щебенка была погружена в битум до требуемого уровня и были заполнены все микротрещины, но и не должно быть избыточным, что приведет к выпотеванию.
Должна быть обеспечена точная дозировка расхода каменного материала и вяжущего. Щебень должен быть чистым (рекомендуется - мытым), иметь необходимый размер и форму, количество его должно быть достаточным, для создания нужной текстуры макрошероховатости, но не быть излишним. Материал щебня должен обладать требуемыми высокими физико-механическими свойствами: сопротивлением истиранию, морозостойкостью, прочностью и др.
Щебеночный массив вместе с вяжущим должен создавать устойчивый монолитный слой, поэтому форма каждой щебенки должна приближаться к кубической. Щебень с яйцевидной формой не может занять устойчивого положения с однородным распределением по поверхности дорожного покрытия. Плоский щебень лещадной формы хрупок и недостаточно плотно укладывается в покрытие [40].
При размерах щебенки 15-20 мм возникает высокий уровень шумов в салоне и вне машины, поэтому такой щебень не применяют на улично—дорожной сети городов.
Существует четыре основных варианта укладки ШПО, каждый из них используется для конкретной сферы применения (рисунок 5) [41].
Рис. 5. Варианты ШПО (данные В.Н. Марышева)
Однослойная ШПО с однократным распределением щебня и вяжущего применяется для устройства шероховатого слоя и/или слоя износа покрытия с достаточной прочностью. Этот распространенный вид ШПО, рекомендуемый для всех видов дорожного движения. Такой вид ШПО устраивается из щебня фракции 5-10 или 10-15 мм. Конструкцию можно отнести к макрошероховатой [30, 40].
Двойное распределение щебня при однослойной ШПО применяется на автомобильных дорогах, где интенсивное движение и высокая скорость. Это приводит к улучшению герметичности покрытия, улучшает распределение усилий от колес транспортных средств и устраняет мелкие деформации и неровности. Устройство производится следующим образом: на нанесенный слой вяжущего распределяют фракцию крупного 10-15 мм или 15-20 мм щебня и прикатывают, далее рассыпается более мелкая фракция щебня 5-10 мм и её уплотняют [30].
Устройство двухслойной ШПО состоит из следующих этапов. Первый этап – устройство первого слоя - разлитый вяжущий и распределенный на него щебень крупной фракции, который сразу же уплотняется. На втором этапе укладывают второй слой битума с мелкой фракцией щебня и все окончательно укатывают.
Двухслойная ШПО используется на дорожных одеждах с малой прочностью, с наличием ямочности, колейности, сетки трещин и при большой интенсивности автомобильного движения, т.е. тогда когда нужно создать не только макрошероховатый и защитный слой, но и повысить прочность, ровность и улучшить сдвигоустойчивость [32].
«Сэндвичую» ШПО или типа «бутерброд» делают на дорожном покрытии путем рассыпа щебня более крупных фракций, а затем распределяют битум и рассыпают сверху щебень мелких фракций и всё это уплотняют. Получается слой со структурой, которая сравнима с однослойной ШПО и двойной просыпкой щебня [42].
На практике реализуют два метода устройства ШПО: с раздельным и с синхронным распределением материалов. Для последнего характерно синхронное, практически одновременное распределение вяжущего и щебня [32].
Для увеличения срока службы в ряде случаев применяется прикатка щебня легкими прицепными катками. Однако она уменьшает разновысотность и, соответственно, коэффициент сцепления между колесом и дорожным покрытием.
При устройстве ШПО традиционным методом время между распределением битума и посыпкой щебня лимитируется временем остывания горячего вяжущего и достигает одного часа. Во время синхронного распределения щебня и вяжущего перерыв между рабочими операциями не превышает секунды. Это сильно и положительно влияет на улучшение качества ШПО при применении в качестве вяжущего битумной эмульсии, горячего или вспененного битума [18, 43].
Это объясняется, например, тем, что битум не может быстро остыть и поэтому долго сохраняет клеящую способность и нахождение в жидкой фазе. Битум просачивается в поры дорожного покрытия и щебня, обволакивая каждое зерно и прочно склеивая их между собой и с покрытием. Синхронное распределение положительно сказывается на сцеплении между щебнем и вяжущим - это гарантированно обеспечивает качество изготовления и высокие эксплуатационные параметры. Кроме этого уменьшается риск невыполнения работ с требуемым качеством при больших разницах температур вяжущего и основания, а также при наличии сухих тонкодисперсных фракций щебня при работах с использованием эмульсий [4, 8].
Высокий уровень качества устраиваемого ШПО с синхронным распределением материалов позволяет добиться срока службы макрошероховатого дорожного покрытия до десяти лет.
Выпускаемые битумощебнераспределители (БЩР) работают передним и задним ходом движения (рисунок 6) [17, 41, 44, 45, 46].
а б
Рис. 6. Принципы работы битумощебнераспределителей передним (а) и задним ходом (б)
Также известно новое дорожное противогололедное покрытие с макрошероховатой поверхностью SafeLane™ СА-48 и SafeLane™ HDX разработанное в Мичиганском технологическом университете. Реализация этих технологий в России проводится компанией Cargill (CША) и ООО «Зиракс» [47]. Данные покрытия обладают способностью аккумулировать и в нужный момент (при снегопаде и образовании гололеда) выделять компоненты противогололедного материала на дорожное покрытие. Одновременно такое покрытие обеспечивает гидроизоляцию конструкции от воды и противогололедного материала. При этом гарантированно выполняются требования по коэффициенту сцепления. Покрытие также работает как слой износа и препятствует прилипанию снега и формированию гололеда (снежно-ледяного образования). Такие покрытия находят своё применение на автомобильных магистралях, транспортных сооружениях, мостах и тоннелях, особенно, на опасных участках дорог: места с большой концентрацией ДТП, на перекрестках, при подъездах к шлагбаумам и пешеходным переходам, на пешеходных мостах, открытых автопаркингах, пешеходных переходах и тротуарах, в местах посадки в общественный транспорт, на велосипедных дорожках и примыканиях к различным объектам транспортной инфраструктуры.
Научная новизна этой новой технологии заключается обеспечение заданных физико-химических свойств и размерных параметров применяемого щебня. Интересны методы нормирования параметров шероховатой поверхности (впадин), особенностью свойств которых является случайный характер образования пятен во время гололеда на выступах щебня (активные зерна), которые не позволяют равномерно и одновременно образовываться пленке гололеда и могут быть просто удалены проходящими транспортными средствами.
Использование технологии SafeLane сводиться к подготовке поверхности исходного дорожного покрытия и в нанесении щебня (заполнитель) и полимерного состава. Антигололедное (противогололедное) покрытие SafeLane™ HDX отличается от предыдущего тем, что это модифицированная полимерная двухкомпонентная система типа III, отвечающая нормативным требованиям (документ AASHTOC-881, сорт 1, класс B&C). Пример антигололедного дорожного покрытий с достигнутой максимальной макрошероховатостью типа SafeLane™ приведен на рисунке 7 [48].
Рис. 7. Антигололедное дорожное покрытие
Технология не требует прикатки материала катками. Неприжившийся щебень удаляется сметом или промышленными пылесосами. Технологические этапы распределения эпоксидного вяжущего и каменного материала в местах концентрации ДТП показаны на рисунке 8. Такое покрытие отличается максимальной макрошероховатостью.
Рис. 8. Технологические этапы производства работ
Для устройства макрошероховатых дорожных покрытий применяют современные битумощебнераспределители (БЩР). БЩР - самоходные или прицепные машины, имеющие устройство для равномерного распределения органического вяжущего (битум или битумная эмульсия) по дорожной поверхности покрытия и щебня в один слой. Устройство предназначено для розлива вяжущего и равномерной укладки мелкого щебня на поверхность покрытия дороги [17, 40, 45, 49].
Типовые примеры современных распределителей битума и щебня представлены на рисунках 9 и 10) [50]. Одной из современных моделей распределителей битума и щебня является TBS3500B (Китай, рисунок 9).
Рис. 9. Битумощебне- Рис. 10. Битумощебне-
распределитель XCMG RF100 распределитель TBS3500B
Он имеет следующие технические характеристики: размер ширины распределения 3,5 м, величина щебня 5-30 мм, дозировка битума 0,5-3 кг/м3, скорость устройства покрытия 60-70 м/мин. Дозирование щебня 2-22 м3/1000 м3, объем битумной цистерны 6 м3, емкости под щебень 10 м3.
Если рассматривать технологическую компоновку битумощебне-распределителей для синхронного распределения щебня и вяжущего, то конкурентоспособна компоновка, выполненная по раздельной схеме - распределителей битума и щебня или с прицепным щебнераспределителем (например, с навесным прицепом БЦМ-70).
Прицепной распределитель щебня БЦМ-70 (ЗАО «Бецема», рисунок 11) предназначен для дискретной укладки щебня на покрытие дороги [49]. БЦМ-70 работает в комплекте с гудронатором и распределяет щебень сразу после пролива эмульсии на дорожное покрытие.
Рис. 11. Прицепная машина БЦМ-70 (щебнераспределитель)
БЦМ-70 необходим для нанесения на дорожное покрытие каменного материала (дробленый щебень фракций от 5 до 25 мм), а также сухого песка, мелкого гравия, шлака, черненого щебня. Выполненный как навесное оборудование к тракторам Т-150К и К-700 БЦМ-70 соединяется с трактором посредством трехточечной навесной системы. Щебень распределяется прутковым питателем барабанного типа. Распределительным шнеком производится равномерная загрузка бункера. Технические параметры: вместимость бункера 6 м3, ширина полосы распределения 3,5 м, размеры: длина 2420, высота 1400 мм, ширина 3750, масса 2300 кг [49].
Главное преимущество распределителя щебня Super Vega (ФРГ, ВРЕННУНГ) заключается в следующем - поток материала подается через канал, при этом заслонка играет в качестве буфера, поэтому равнодействующая давления всегда находится за пределами зон потока. Super Vega реализует принцип работы самотечного дозатора, аналогично предшественнику – Viasealer (рисунок 12) [51, 52].
Рис. 12 – Щебнераспределитель Super Vega
Ширина потока материала регулируется количеством открытых затворов механизма. Максимальная мощность достигается при открытом полностью затворе и в зависимости от величины фракций варьируется в задаваемых установках. Автоматизированная дозировочная рампа позволяет получить требуемый объем распределения материала. Новизна в машины Super Vega - наличие дозировочного ролика с электроприводом. Номинальная ширина распределения компонентов смеси - 3,2 м, имеется 14 электропневматических форсунок. Используется высокоточная система компьютерного контроля Helios 500. Здесь реализовано равномерное распределение.
Технология FLEXOGRID использует новые приемы при распределении материалов для устройства макрошероховатых дорожных покрытий (США, рисунок 13).
Рис. 13. Работы по устройству покрытия по технологии FLEXOGRID
Здесь используется эпоксидно-полиуретановое вяжущие и фракционированный щебень, при этом применяют оригинальную технологию и компоновку для распределения щебня [51, 52].
Для приготовления макрошероховатых поверхностей при больших объемах используют Чипсилер-40. В качестве седельного тягача применяют машины КамАЗ или МАЗ. Чипсилер-19 используется для выполнения ремонта дорожных покрытий и устройства ШПО в малых объемах (таблица) [53].
Таблица. Требования к битумощебнераспределителям [53]
Его оборудование монтируется на базе полуприцепа Сaizer и обладает автономной системой энергообеспечения. Чипсилер-26 смонтирован на базе полуприцепа СЗАП-9905. По сравнению с Чипсилер-40, он имеет меньшие объем цистерны для битума и кузова для щебня. Технология устройства одиночных макрошероховатых дорожных покрытий [53] заключается в следующем.
Работы по устройству макрошероховатой поверхности обычно проводят в теплый период времени, на прогретом сухом покрытии. Перед работами надо устранить все имеющиеся деформации и повреждения (просадки, выбоины, трещины, наплывов и т. п.) и тщательно очистить дорожное покрытие от грязи и пыли, при окружающей температуре воздуха не ниже + 15°С (для битумов ) + 5°С (для эмульсий).
Технология производства работ по устройству ШПО за один проход с применением машин с синхронной подачей вяжущего и каменного материала, состоит из перечисленных ниже операций.
Предварительная очистка проезжей части. Поверхность дорожного покрытия должна быть чистая и сухая. Чистота поверхности необходима для лучшего сцепления вяжущего с покрытием. С покрытия должна быть удалена существующая разметка из термопластика.
Синхронное распределение вяжущего и щебня. К синхронному распределению вяжущего и щебня приступают, если позволяют атмосферные условия, налажено и проверено вспомогательное оборудование, имеется в наличии вся техника.
Работы по устройству шероховатой обработке нельзя начинать на кривом участке дороги. В конце рабочего дня работы по укладке заканчиваются только при устройстве слоя ШПО по всей ширине автомобильной дороги и заканчиваться в одну поперечную линию. Распределение битума не рекомендуется производить при сильном ветре (деформация струи при распределении вяжущего). Непосредственно перед распределением битума необходимо проверить параметры [53]:
соответствие температуры битума рекомендуемой при распределении;
состояние форсунок гребенки и фильтра вяжущего;
расстояние от поверхности до гребенки;
подобранную норму распределения битума с учетом окружающей температуры и вязкости битума.
Уплотнение слоя ШПО. Для лучшего формирования слоя ШПО, применяют легкие самоходные дорожные катки с пневматическими шинами или катки с обрезиненными металлическими вальцами. Уплотнение необходимо осуществлять сразу за проходом распределителя. При устройстве одиночной ШПО уплотнение производится за 5-6 проходов по одному следу при нагрузке не более полутора тонн на ось. Окончательно слой формируется проходящим транспортом при скоростях не более 40 км/ч.
Уход за слоем ШПО. Перед открытием участка автомобильной дороги необходима обследовать состояние устроенной поверхности. Срок ограничения скорости движения зависят от марки вяжущего и природно-климатических условий. В случае открытия движения сразу по завершению устройства слоя ШПО, предусматриваются мероприятия по защите свежеуложенного слоя, такие как: регулирование потока транспорта по ширине дороги; ограничение предельной скорости движения; уборка не прижившегося щебня; уплотнение при необходимости. Снимать ограничение скорости можно при условии хорошего сцепления щебня с вяжущим.
Уборка излишков щебня. Срок уборки зависит от интенсивности движения и вязкости вяжущего, и может составлять от нескольких часов до нескольких суток, после окончания уплотнения. Уборку необходимо выполнять машинами с капроновой щеткой. В начале участка распределения (на первых 30-70 см) вяжущее и щебень распределяется неравномерно. Для предотвращения некачественного поперечного стыка укладывают на конец слоя предыдущей захватки промасленную бумагу или непромокаемый материал.
Распределение материалов начинать над тем местом, где расположена бумага. Чтобы уменьшить количество поперечных стыков надо укладывать материал на поверхность проезжей части дороги, не останавливая шебнеукладчик, по всей длине захватки. Продольные полосы устраиваются последовательно по ширине и без разрывов на поверхности автомобильной дороги.
|
