1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Проектирование дорог» В. А. Веренько КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ Пособие по выполнению курсового проекта № 3 «Проект дорожной одежды нежесткого типа (деталь проекта)» для студентов специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги» Минск БНТУ 2012 2 УДК 625.73-192(075.8) ББК 39.311бв31 В31 Рецензенты : Л. Г. Расинская, А. А. Куприянчик В31 Веренько, В. А. Конструирование и расчет дорожной одежды повышенной надежности и долговечности : пособие по выполнению курсового проекта № 3 «Проект дорожной одежды нежесткого типа (деталь проекта)» для студентов специальности 1-70 03 01 «Автомобиль- ные дороги». – Минск : БНТУ, 2012. – 78 с. ISBN 978-985-525-762-3. В пособии изложены вопросы проектирования нежестких дорожных одежд в соответствии с современными подходами в мировой практике. Рассмотрена методо- логия конструирования и расчета дорожных одежд с экстремальным характером распределения прочности и жесткости по толщине. Для облегчения выполнения кур- сового и дипломного проектов в пособии приведены необходимые справочные дан- ные, а также примеры расчетов. УДК 625.73-192(075.8) ББК 39.311бв31 ISBN 978-985-525-762-3 Веренько В. А., 2012 Белорусский национальный технический университет, 2012 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И МАТЕРИЛЫ ДЛЯ ИХ УСТРОЙСТВА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.1 Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Опыт применения новых конструкций дорожных одежд в мировой практике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.3 Конструкции дорожных одежд и материалы для их устройства, рекомендуемые для применения в условиях Республики Беларусь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ПО ТОЛЩИНЕ ДЛЯ ЗАГОРОДНЫХ ДОРОГ И ГОРОДСКИХ УЛИЦ. . . . . . . . . . .51 2.1 Расчетные нагрузки и методика приведения автомобилей к расчетному. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 2.2 Конструирование дорожной одежды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3 Расчет дорожной одежды на прочность. . . . . . . . . . . . . . . . . .60 3 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ПО ТОЛЩИНЕ В КУРСОВОМ ПРОЕКТЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ РЕФЕРАТОВ. . . . . . . . . . . . . . . . 74 ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4 ВВЕДЕНИЕ Дорожная одежда – совокупность конструктивных слоев из раз- личных дорожно-строительных материалов, предназначенная для создания ровной и прочной проезжей части с шероховатой поверх- ностью. Дорожную одежду укладывают на грунт земляного полотна, верхнюю часть которого называют рабочим слоем. Материал дорожного покрытия и дорожная одежда в целом ис- пытывают комплекс внешних воздействий, связанных с погодно- климатическими факторами и движением транспортных средств. Оказывает влияние и внутреннее воздействие, связанное с особен- ностями конструкции дорожной одежды, определяющей процессы миграции влаги, градиент температуры, распределение напряжений и деформаций от транспортной нагрузки. Все это приводит к появ- лению деформаций и разрушений покрытия, снижению сроков службы дорожной одежды. Основная сложность обеспечения надежной и долговечной рабо- ты материалов покрытия состоит в том, что причины появления де- формаций и свойства материалов, ответственные за их развитие, находятся в диалектическом противоречии. Т. е., повышая устойчи- вость материала к одному виду деформаций, неизбежно наблюдает- ся снижение устойчивости к другому. Так, повышая вязкость биту- ма, мы увеличиваем устойчивость к пластическим деформациям, но снижаем к хрупким. Увеличивая пористость, можно добиться роста трещиностойкости, но понизить устойчивость к коррозии и т. д. Аналогично проявляются особенности конструкции дорожной одежды. Так, применяя в нижних и промежуточных слоях покрытия пористые и высокопористые смеси, мы повышаем устойчивость к пластическим деформациям, но снижаем устойчивость к коррозии и трещинам. Такая ситуация требует особого подхода, направленного на раз- работку методики обеспечения надежности и долговечности с уче- том всего комплекса воздействий, особенностей свойств материала и конструкции. В целом можно выделить два принципиальных пути повыше- ния надежности и долговечности материалов дорожного по- крытия: 5 1) конструкционный путь; 2) материаловедческий путь. Конструкционные мероприятия связаны с изменениями прин- ципов конструирования и расчета дорожных одежд, а также мето- дик выбора материалов для устройства конкретных конструктивных слоев. Материаловедческие подходы основаны на совершенствовании структуры и свойств традиционных материалов путем оптимизации состава, выбора вяжущих, а также технологии получения. Материа- ловедческие подходы предусматривают также разработку новых материалов и технологий, обеспечивающих повышение надежности и долговечности. Курсовой проект может выполняться двумя способами: 1) конструированием и расчетом дорожной одежды с экстре- мальным градиентом распределения прочности и жесткости по толщине; 2) подготовкой реферата по одной из тем, представленных ниже. Выбор осуществляется по указанию руководителя. 6 1 СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД И МАТЕРИЛЫ ДЛЯ ИХ УСТРОЙСТВА 1.1 Общие положения Традиционный, классический способ конструирования дорожной одежды предполагает применение материалов с убывающей жест- костью, прочностью и другими свойствами материалов по толщине (рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Традиционная дорожная конструкция В верхних слоях применяют наиболее прочные и жесткие мате- риалы. С увеличением расстояния от поверхности дорожной одеж- ды до рассматриваемой точки прочность и жесткость снижаются. Данный подход оправдан с точки зрения учета распределения сжимающих напряжений по глубине, а также обоснования толщины конструктивных слоев по критерию упругого прогиба, или макси- мальных растягивающих напряжений, величина которых снижается с увеличением общей толщины слоев покрытия. Не на последнем ме- сте находятся здесь и экономические показатели дорожной одежды. Однако в реальных условиях распределение сдвигающих и рас- тягивающих напряжений отличается от схемы сжатия (рисунок 1.2). С учетом таких отличий оптимальными оказываются конструк- ции с экстремальным распределением жесткости слоев по глубине (рисунок 1.3). 7 Рисунок 1.2 – Распределение действующих в дорожной конструкции напряжений Рисунок 1.3 – Конструкции дорожных покрытий с экстремальным распределением жесткости и прочности материалов слоев по глубине 1.2 Опыт применения новых конструкций дорожных одежд в мировой практике Во многих странах мира (Великобритания, США, Германия, Ки- тай и др.) на дорогах с высокой интенсивностью тяжелого транс- порта применяются так называемые вечные дорожные одежды (Per- petual Pavements), срок службы которых составляет свыше 20 лет. На основе анализа литературы [1–3] рассмотрим эту концепцию более подробно. 8 Вечные дорожные одежды могут служить свыше 50 лет без ка- ких-либо значительных (капитальных) ремонтов, а только с перио- дическими (примерно через 20 лет) заменами верхнего слоя покры- тия (слоя износа). Можно выделить два вида дорожных одежд: 1) асфальтобетонные слои устраиваются непосредственно на не- модифицированных или модифицированных грунтах; 2) асфальтобетонные слои устраиваются на основании из зерни- стых материалов (например, щебня). Главным преимуществом дорожных одежд первого вида являет- ся то, что они имеют меньшую общую толщину по сравнению с те- ми, которые устраиваются на слое из зернистого материала. При этом достигается одинаковая общая прочность всей конструкции. Как результат, такие дорожные конструкции имеют большую устойчивость к образованию усталостных трещин в нижней части покрытия (непосредственно перед грунтом). Это два основных преимущества долговечных дорожных одежд. Для таких конструкций разрушения могут появляться только в верхнем слое покрытия, который непосредственно воспринимает воздействие транспорта и погодно-климатических факторов. Когда уровень разрушений верхнего слоя покрытия достигает какой-то критической величины, эта часть его может быть удалена (это явля- ется экономически выгодным), а материал может использоваться повторно для устройства нового верхнего слоя покрытия (например, горячий ресайклинг). Такая конструкция (рисунок 1.4), запроектированная на длитель- ную эксплуатацию, включает: 1) верхний износостойкий и устойчивый к пластическим дефор- мациям слой; 2) промежуточный высокомодульный и устойчивый к пластиче- ским деформациям слой; 3) нижний устойчивый к усталостному разрушению слой. 9 Рисунок 1.4 – Типовая конструкция дорожных одежд повышенной долговечности Такой подход к проектированию может быть принят при разра- ботке дорожных одежд, обеспечивающих снижение затрат на вос- становление и реконструкцию, а также возможность проводить ре- монты без длительного закрытия движения. Применение конструкций дорожных одежд повышенной долго- вечности должно основываться на технико-экономическом обосно- вании в увязке со сроком службы, количеством восстановлений верхнего слоя покрытия и стоимостью первоначального устройства дорожной одежды. С учетом современных эмпирических методов проектирования концепция вечных дорожных одежд не находит своего подтвержде- ния с точки зрения обеспечения повышения долговечности путем устройства толстых асфальтобетонных (из горячих асфальтобето- нов) слоев. Это происходит из-за того, что проектирование долго- вечных дорожных покрытий основывается в первую очередь на ме- ханистическом проектировании, ключевым моментом которого яв- ляется проектирование прочного основания. Независимо от длительности тепловой стабильности основание дорожного покры- тия является рабочей платформой, на которой происходит уплотне- ние асфальтобетонных слоев. 10 Из-за своих особенностей горячие асфальтобетонные слои долж- ны устраиваться в конструкции в соответствии со своими, зависящи- ми от расположения, свойствами (температурой и нагрузкой). По- этому проектирование дорожной одежды должно основываться не только на механистической концепции расчета, но и на особенностях выбора материала для устройства того или иного слоя. Основная гипотеза механистической концепции: асфальтобетон- ное покрытие достаточной толщины, устроенное на прочном осно- вании, не допускает появление разрушений в нижней части покры- тия, для исправления которых необходима дорогостоящая рекон- струкция. Покрытие должно обладать соответствующей толщиной и жесткостью, чтобы противостоять деформациям в материале ос- нования или грунте земляного полотна. В то же время асфальтобе- тонные слои должны быть достаточно толстыми и обладать необхо- димыми свойствами, чтобы противостоять усталостному растрески- ванию, которое начинается в нижней зоне слоя. Очень важным с точки зрения обеспечения долговечности веч- ных дорожных одежд является своевременное проведение ремонт- ных мероприятий (усилений, восстановлений). В настоящее время вечные дорожные одежды используются во многих штатах США: Калифорния, Иллинойс, Мичиган, Техас, Висконсин, Кентукки, Огайо, Вирджиния, – а также в Великобритании. Рассмотрим особенности применения этих дорожных одежд на примере двух штатов: Калифорнии и Иллинойса. Калифорния В Калифорнии устраивались долговечные дорожные покрытия на автомагистрали 710 в Лос-Анджелесе. Известная как «Автостра- да Лонг-Бич», она проектировалась на движение 100–200 миллио- нов одиночных эквивалентных осей за срок службы 40 лет. Существующая дорожная одежда представляет собой 200-мил- лиметровое бетонное покрытие, ниже – тощий бетон (100 мм), ниже – слой зернистого материала (100 мм), ниже – 200 мм материала подсти- лающего слоя. Предлагалось большую часть бетона разрушить, уплот- нить и перекрыть слоями из горячего асфальтобетона общей толщиной 200 мм, а также выполнить следующее (на некоторых участках): убрать весь бетон и тощий бетон и устроить асфальтобетонное покры- тие общей толщиной 300 мм. Слой сцепления из OGFC (асфальтобе- тон открытой структуры) будет выполнен на всем протяжении ремон- тируемых участков. 11 Как показано на рисунке 1.5, при переустройстве покрытия на всю глубину новая конструкция должна содержать асфальтобетон- ные слои общей толщиной 300 мм. Нижний слой должен быть устойчив к усталостному разрушению (75 мм), для чего содержание вяжущего в нем следует увеличить на 0,5 %, т. е. сделать 5,2 %. Рисунок 1.5 – Экспериментальные участки на Автомагистрали I-710 Промежуточный слой устраивается из такого же материала, что и нижний, но содержание вяжущего является оптимальным, т. е. 4,7 %. Применение жесткого вяжущего (AR-8000) позволяет обеспечить требуемую сдвигоустойчивость. Верхний слой толщиной 75 мм устраивается из асфальтобетона на полимер-битумном вяжущем PBA-6A, сверху устраивается слой из OGFC толщиной 25 мм. При испытании этого материала с использо- ванием симулятора тяжелых транспортных средств (рисунок 1.6) было установлено, что он дает в два раза меньшую колею по сравнению с другими асфальтобетонными смесями (рисунок 1.7). 12 Рисунок 1.6 – Симулятор тяжелых транспортных средств (Калифорния) Рисунок 1.7 – Результаты испытаний на колееобразование асфальтобетонов различного вида Для второго вида участков было необходимо устройство асфальто- бетонного покрытия общей толщиной 200 мм. При этом оно не имело нижнего стойкого к усталости слоя из асфальтобетона. Было необхо- димо также обеспечить достаточную прочность основания из разру- 13 шенного и уплотненного бетона и предотвращение копирования де- фектов с нижних слоев (применение геотекстиля, который устраивает- ся на толщине 25 мм поверх слоя бетона). В такой конструкции особое внимание уделяется обеспечению усталостной долговечности матери- алом верхнего слоя (учитывались такие факторы, как температура, ко- личество приложений нагрузки, уровень надежности). При проектировании конструкции ограничивались в слое ас- фальтобетона деформацией изгиба в размере 70 и вертикальной деформацией в размере 200 под нагрузкой 80 кН (одиночная ось). Сдвиговые деформации на поверхности покрытия также были ограничены и составляли не более 5 % от постоянной деформации, что в шесть раз меньше, чем для наиболее жаркого периода года. Строительство этих покрытий было начато в 2001 году и закон- чено в 2002 году. Иллинойс Именно в штате Иллинойс и появилось название «вечные до- рожные одежды» для конструкций повышенной деформационной устойчивости. Там были разработаны основные положения по про- ектированию составов материалов, методика проектирования и тех- нология строительства. Рекомендации по проектированию таких покрытий были разработаны в декабре 2000 года, а в 2002 году вы- шла окончательная редакция. Типовая конструкция должна обеспечивать следующие парамет- ры: деформация изгиба в нижней части асфальтобетонных слоев не должна превышать 60 , что отличает метод проектирования от Калифорнийского; при этом асфальтобетон должен был содержать не более 2,5 % пустот. Промежуточный асфальтобетонный слой проектировался как плотные асфальтобетонные смеси. Расчетный срок службы состав- лял 20 лет. Верхний слой покрытия устраивался из щебнемастичного ас- фальтобетона (SMA). Толщина слоя из SMA выбирается на основа- нии анализа сдвиговых напряжений на поверхности из условия обеспечения сдвигоустойчивости и трещиностойкости. Зона появ- ления этих деформаций составляет порядка 100 мм. Также толщина SMA зависит от условий движения: 50 мм – для легких; 100 мм – для средних; 150 мм – для тяжелых и очень тяжелых условий дви- 14 жения. Тяжелый уровень движения составляет порядка 25 млн экв. осей. При этом все 150 мм покрытия должны состоять из асфальто- бетона на полимер-битумном вяжущем, что обеспечивает требуе- мую сдвигоустойчивость и трещиностойкость. Сорт вяжущего вы- бирается в зависимости от климата и толщины покрытия. Для укрепления основания используется известь. Укрепление производится на глубину 300 мм. Если используются зернистые ма- териалы, укрепление не требуется. В Китае в настоящее время широко применяются следующие конструкции дорожных одежд (рисунки 1.8, 1.9): 1) основание (тощий бетон) с толщиной до 20 см; 2) покрытие, состоящее из трех слоев, два из которых (верхних) устраиваются на модифицированных вяжущих. Рисунок 1.8 – Устройство дорожной одежды повышенной деформационной устойчивости в КНР 15 Общая толщина асфальтобетонных слоев составляет более 20 см. Для предотвращения копирования трещин с бетона на асфальто- бетонное покрытие устраиваются специальные прослойки: предва- рительный розлив жидкого битума, россыпь фракционированного щебня, розлив модифицированного вяжущего. Рисунок 1.9 – Вид устроенного и эксплуатируемого дорожного покрытия повышенной деформационной устойчивости Из вышесказанного видно, что в настоящее время в мире в усло- виях развития транспорта и увеличения осевых нагрузок развива- ются методы проектирования дорожных одежд повышенной де- формационной устойчивости (со сроком службы более 20 лет). Применение таких конструкций в Республике Беларусь сдерживает- ся в первую очередь отсутствием базы для их проектирования. 1.3 Конструкции дорожных одежд и материалы для их устройства, рекомендуемые для применения в условиях Республики Беларусь В общем случае в большинстве зарубежных стран материал слоя подбирается на основании действительных воздействий транспорта и погодно-климатических факторов за весь срок службы. Отличием является то, что в нижних слоях может применяться асфальтобетон, как пористый, так и плотный. Предпочтение плот- ному асфальтобетону в нижней части асфальтобетонных слоев от- дается для устройства дорог с высокой интенсивностью движения тяжелых транспортных средств. 16 Подбирая состав материала в увязке с характеристиками дорож- ной конструкции и условиями эксплуатации, можно обеспечить требуемую надежность, а следовательно, и проектный срок службы (рисунок 1.10). Рисунок 1.10 – Дорожные покрытия с различным соотношением свойств материалов по толщине (при оптимальном (а, г) и неоптимальном соотношении (б, в)) Покрытие должно включать два слоя: верхний и нижний (несу- щий), которые непосредственно воспринимают транспортную нагрузку и погодно-климатические факторы. Материал слоев по- крытия должен обеспечивать: 1) необходимую деформативность; 2) защиту нижних слоев от действия погодно-климатических факторов; 3) надежность по устойчивости к воздействию транспорта, по- годно-климатических факторов и усталости; 4) сцепление с колесом транспортного средства (верхний слой); 5) увеличение прочности всей дорожной конструкции. Материалы для основания дорожной одежды должны: 1) выдерживать нагрузку, передающуюся с основания; 2) выдерживать строительный транспорт при устройстве покрытий; 3) обеспечивать морозозащиту; 4) обеспечивать отвод воды. Нижние слои покрытия могут выполняться как из плотных, так и из пористых смесей (в зависимости от нагрузок), а также из тощего бетона или укрепленных цементом материалов, что предполагает выполнение мероприятий по предотвращению копирования дефек- а б в г 17 тов (трещин). Этот слой является одним из важных в обеспечении прочности всей дорожной одежды. Данный слой должен быть наиболее устойчивым к восприятию циклических изгибающих напряжений и обеспечивать требуемый температурный градиент дорожной конструкции. Как показывает анализ литературных и других источников, необходимо выбирать вяжущее, которое имеет наибольшую вяз- кость, для обеспечения сдвигоустойчивости, температурной трещи- ностойкости и усталостной долговечности. Эти характеристики ас- фальтобетонных смесей будут также изменяться в зависимости от расположения слоя в дорожной конструкции (из-за изменения па- раметров нагрузки и температуры). Для условий Республики Беларусь можно рекомендовать обес- печивающие высокую надежность и долговечность конструкции дорожных покрытий, представленные на рисунке 1.11. ТИП I ТИП II Рисунок 1.11 – Конструкции дорожных покрытий, рекомендуемые для применения в условиях Республики Беларусь: 1 – покрытие, устраиваемое из литых, полулитых и щебенемастичных асфальтобетонов толщиной 3–5 см; 2 – нижний (несущий) слой покрытия, устраиваемый из бетонов на органогидравлических вяжущих или асфальтобетонов повышенной жесткости (АПЖ); 3 – плотные асфальтобетоны с повышенной устойчивостью к усталостным деформациям, в качестве которых могут быть применены песчаные асфальтобетоны, плотные асфальтобетоны типов Б и В и др.; 4 – прослойки из геотекстиля; 5 – тонкий выравнивающий слой из песчаного или мелкозернистого асфальтобетона 2 3 1 2 3 4 5 1 2 18 При конструировании и расчете дорожной одежды очень важно правильно выбрать соотношение толщины и свойств слоев 3 и 5. В любом случае, толщина слоя 5 должна быть существенно меньше, чем слоя 3. Добиться повышенной надежности дорожных покрытий и одежд можно и на основе традиционных материалов. Однако как для до- рожных одежд повышенной долговечности, так и для традицион- ных необходим пересмотр существующих подходов к выбору мате- риалов конструкции и расчету дорожных одежд. Применение новых конструкций и методик расчета в Республике Беларусь сдерживается существующей нормативной базой. Так, методика проектирования дорожной одежды по упругому прогибу не позволяет производить расчет дорожной одежды с экс- тремальным изменением прочности слоев (рисунок 1.12). Рисунок 1.12 – Сравнительные расчеты конструкций с экстремальным изменением свойств материалов слоев В частности, для конструкций с экстремальным распределением жесткости по толщине может применяться следующая зависимость для приведения двухслойной системы (основания) к однослойной (рисунок 1.13). 19 Рисунок 1.13 – Зависимость для приведения двухслойной конструкции к однослойной В подавляющем большинстве зарубежных стран уже давно отка- зались от такого критерия, как предельные перемещения и дефор- мации (либо комбинаций этих компонентов), которые сравнивают с допускаемыми, зависящими от принятого критерия предельного состояния. За критерии предельного состояния дорожной одежды прини- мают максимальный упругий прогиб поверхности покрытия, гори- зонтальное нормальное напряжение или относительную деформа- цию при изгибе слоя, сдвигающее или сжимающее напряжение в грунте и зернистых несвязных слоях. 20 Относительно слоев, способных работать на изгиб, мнение спе- циалистов почти едино: эти слои надо рассчитывать на растяжение, принимая в качестве критерия предельного состояния максималь- ное горизонтальное нормальное напряжение или относительную деформацию. Принятые в нашей стране критерии предельного состояния до- рожной одежды (по упругому прогибу, сдвигу и изгибу), к сожале- нию, пока не позволяют прогнозировать срок ее службы. В значи- тельной мере это объясняется нечеткостью понятия отказа для до- рожной одежды. Выделяют три группы принципов конструирования дорожной одежды: 1) рациональное распределение материалов по глубине; 2) рациональное распределение материалов по ширине проезжей части (с учетом распределения проездов по ширине); 3) рациональное конструирование в зависимости от изменения условий работы дорожной одежды во времени (в годовом цикле и в течение срока службы). Учитывая вышеизложенное, необходимо внести определенные кор- рективы в конструирование и расчет дорожных одежд. В частности, конструкцию и вид материала покрытия следует назначать в зависимости от требуемого уровня надежности дорожной конструк-ции по таблице 1.1. При этом конструкция покрытия обязательно рассматривается в виде двух слоев: верхнего и несущего слоя покрытия. Таблица 1.1 – Значения уровней надежности дорожных покрытий Материал верхнего слоя покрытия (защитного слоя) Материал несущего слоя покрытия Общий уровень надежности дорожной конструкции Р 1.4 2.2, 2.3, 2.5, 2.6 0,95–0,98 1.5 2.2, 2.3, 2.5, 2.6 0,84–0,98 1.6 2.1–2.6 0,65–0,87 1.7 2.1–2.9 0,65–0,92 1.8** 2.1, 2.4, 2.7–2.9 0,65–0,87 1.9** 2.1, 2.4, 2.7–2.9 0,65–0,92 21 Окончание таблицы 1.1 Материал верхнего слоя покрытия (защитного слоя) Материал несущего слоя покрытия Общий уровень надежности дорожной конструкции Р 1.10** 2.1, 2.4, 2.7–2.9 0,65–0,87 1.6 (1.1, 1.3)* 2.1–2.6 0,84–0,96 1.11 (1.1, 1.2, 1.3)* 2.1, 2.3–2.5, 2.7–2.9 0,84–0,96 1.12 (1.1, 1.3)* 2.1, 2.3–2.5, 2.7–2.9 0,80–0,95 1.13 (1.2, 1.3)* 2.1, 2.2, 2.5–2.9 0,92–0,96 Примечание: * – пункты справедливы при обязательном устройстве защитного слоя во время строительства и его замене через 3–5 лет; ** – устройство защитного слоя обусловлено низкой шероховатостью готового покрытия. Наименование материалов по таблице 1.1: Материалы для устройства защитного слоя и верхнего слоя покрытий: 1.1. Поверхностная обработка в соответствии с РД 0219.1.09–99 «Дорожные технологии на основе катионных битумных эмульсий». 1.2. Двойная поверхностная обработка в соответствии с РД 0219.1.09–99 «Дорожные технологии на основе катионных битумных эмульсий». 1.3. Слои «Slarry-Seal» в соответствии с РД 0219.1.09–99 «Дорожные технологии на основе катионных битумных эмульсий». 1.4. Смесь битумоминеральная горячая литая марки ЛБС-МЖ в соответствии с СТБ 1257 с зерновым составом минеральной части по таблице 1.2. Таблица 1.2 – Зерновой состав минеральной части смеси битумоминеральной горячей литой марки ЛБС-МЖ Зерна минерального материала, мм, мельче Массовая доля, % 40 – 20 97–100 15 93–97 22 Окончание таблицы 1.2 Зерна минерального материала, мм, мельче Массовая доля, % 10 87–93 5 55–68 2,5 47–70 1,25 32–43 0,63 21–29 0,315 20–25 0,14 19–23 0,071 21–24 Сразу после устройства слоя производится посыпка щебнем с размером фракций от 2 до 4 мм или от 4 до 6 мм с последующей прикаткой средними катками. 1.5. Смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные типа С горячие в соответствии с СТБ 1033. 1.6. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа А в соответствии с СТБ 1033. 1.7. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа Б в соответствии с СТБ 1033. 1.8. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа В в соответствии с СТБ 1033. 1.9. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа Г в соответствии с СТБ 1033. 1.10. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие плотные типа Д в соответствии с СТБ 1033. 1.11. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие плот- ные типа А в соответствии с СТБ 1033. 1.12. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие плот- ные типа Б в соответствии с СТБ 1033. 1.13. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие порис- тые типа А в соответствии с таблицей Д.1 СТБ 1033. Материалы для устройства несущего слоя покрытия: 2.1. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие порис- тые в соответствии с СТБ 1033. 23 2.2. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие плотные типа А в соответствии с СТБ 1033. 2.3. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие пористые типа А в соответствии с таблицей Д.1 СТБ 1033. 2.4. Смеси асфальтобетонные мелкозернистые горячие пористые в соответствии с СТБ 1033. 2.5. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие порис- тые типа А в соответствии с таблицей Д.1 СТБ 1033. 2.6. Смеси асфальтобетонные крупнозернистые горячие плотные типа Б в соответствии с СТБ 1033. 2.7. Бетоны на органо-гидравлических вяжущих первой группы в соответствии с СТБ 1415. 2.8. Бетоны на органо-гидравлических вяжущих второй группы в соответствии с СТБ 1415. 2.9. Бетоны на органо-гидравлических вяжущих третьей группы в соответствии с СТБ 1415. Материалы для устройства покрытий Для устройства верхних слоев следует использовать литые, щеб- немастичные и полулитые смеси. Литой асфальтобетон Все больше в страх Западной Европы в качестве материала для устройства верхнего слоя дорожного покрытия используется литой асфальтобетон. Это обусловлено рядом положительных свойств, присущих данному виду дорожно-строительного материала и отли- чающих его от обычно применяемых горячих асфальтобетонов. По- крытие, устраиваемое из литого асфальтобетона, способно при остывании достигать максимальной плотности без образования пор (остаточная пористость практически равна нулю), и благодаря вы- сокой подвижности литой смеси отпадает необходимость в уплот- нении укладываемого слоя (лишь в некоторых случаях требуется легкое уплотнение). Кроме того, покрытия из литых смесей обла- дают повышенной износостойкостью, коррозионной устойчивостью и значительно большей долговечностью (срок службы покрытий из литого асфальтобетона может достигать 20 лет); устойчивы к дли- тельному воздействию воды и противогололедных реагентов. 24 Литая асфальтобетонная смесь – это разновидность горячих ас- фальтобетонных смесей. В отличие от традиционных, литая асфальто- бетонная смесь характеризуется повышенным содержанием мине- рального порошка (до 25 %) и битума (до 14 %). Повышенное содержание вяжущего вещества и его высокая тем- пература придает асфальтобетонной смеси высокую подвижность, и как следствие, отсутствует необходимость в уплотнении укладыва- емой смеси, которая после остывания приобретает необходимую плотность. Вследствие своей высокой температуры литая асфальто- бетонная смесь при укладке при отрицательных температурах мо- жет, нагревая поверхность, обеспечить безупречное сцепление с ней, притом сцепление литой смеси с сухим и влажным покрытием практически одинаково и значительно превышает сцепление тради- ционной асфальтобетонной смеси. Следует также отметить, что при укладке не требуется предварительная обработка поверхности орга- ническими вяжущими веществами (битумом или битумной эмуль- сией). Применение литой асфальтобетонной смеси позволяет значи- тельно расширить строительный сезон, а работы по укладке могут производится вплоть до –15 °С. В сравнении с другими типами горячих асфальтобетонных смесей литая смесь имеет повышенную долговечность, обладает высокой водонепроницаемостью (т. к. остаточная пористость асфальтобетона практически равна нулю), коррозиеустойчивостью и в значительной степени большей износостойкостью, а также характеризуется устой- чивостью к длительному воздействию воды и противогололедных реагентов. Наиболее широкое распространение покрытия из литого асфальто- бетона нашли в Германии. Здесь в последние годы создано современ- ное высокопроизводительное оборудование для приготовления, транс- портирования и укладки литых смесей. Применяются смеси следующе- го состава: щебень (размером 2–8 мм или 2–12 мм) 40–45 % по массе, песок 25–30 %, минеральный порошок 20–25 %, битум (пенетрация 15–45 оП) 6,5–9 %. Немецкая фирма GFB уже в течение нескольких лет использует их для устройства дорожных покрытий, срок службы кото- рых достигает 24 лет, в то время как для других разновидностей ас- фальтобетона – обычно не более 15 лет. Для увеличения устойчивости к пластическим деформациям а так- же с целью обеспечения требуемой технологической подвижности ли- тые смеси готовят при повышенной температуре (180–220 °С). Литая асфальтобетонная смесь может готовиться в обычных смесителях, при 25 этом режим перемешивания включает «сухое» перемешивание мине- ральных компонентов и их смешение с битумом. Время приготовления литых смесей несколько выше (на 25–50 %), чем при приготовлении традиционных горячих смесей. В странах Западной Европы наряду с обычными смесителями применяются и высокопроизводительные специальные установки. Так, фирма «Wibau» выпускает специальные смесители, отличающиеся конструкцией мешалки, которая представ- ляет собой емкость с вертикально расположенным валом. Литая асфальтобетонная смесь при выпуске имеет температуру около 200 оС и повышенное содержание битума, что приводит к по- ниженной вязкости, и по своей консистенции смесь приближается к суспензии, в которой неравномерно оседают минеральные частицы. При этом смесь быстро теряет однородность. Поэтому для преду- преждения процесса расслаивания и сохранения однородности, а также для сохранения высокой рабочей температуры необходимо непрерывное перемешивание смеси с одновременным ее подогре- вом во время транспортирования. Обычно литая смесь доставляется на объект в специализированных транспортных средствах с мешал- ками и оборудованием для подогрева – так называемых кохерах, (рисунок 1.14) вместимостью до 20 м3. Рисунок 1.14 – Специализированное транспортное средство для доставки литой смеси Перед началом работ для предотвращения растекания по краям укладываемой полосы устанавливаются упорные брусья (при сни- жении температуры уложенного слоя до 60 °С упорные брусья уда- ляются) или по краям проезжей части устраивается технологическая полоса шириной 30–40 см (рисунок 1.15). 26 Рисунок 1.15 – Технологическая полоса, устраиваемая перед укладкой литой смеси Доставленная к месту работ литая асфальтобетонная смесь укла- дывается в покрытие специальными укладчиками (рисунок 1.16). К ним можно отнести модели немецкой фирмы «Vogele». Распреде- ление литой смеси проводится с одновременным распределением мелкого щебня (рисунок 1.17), обеспечивающего шероховатость покрытия. Щебень прикатывают средним катком до получения ка- чественной микрошероховатой структуры. Рисунок 1.16 – Распределение литой смеси 27 Рисунок 1.17 – Специальный укладчик литых смесей с распределением мелкого щебня Поскольку покрытия из литой асфальтобетонной смеси не тре- буют уплотнения, толщину укладываемого асфальтобетона назна- чают без его учета. Литая асфальтобетонная смесь позволяет уменьшить толщину конструктивных слоев за счет своей высокой плотности, при этом толщина покрытия может быть минимальной и составлять 3 см. Отличительной особенностью литого асфальтобетона является повышенное содержание вяжущего вещества, что может привести к появлению пластических деформаций при высоких летних темпера- турах. Объем асфальтовяжущего вещества (битум + минеральный порошок) в литом асфальтобетоне значительно больше, чем в дру- гих видах асфальтобетона, и сдвигоустойчивость в большей степени определяется структурно-механическими свойствами, в частности, вязкостью этой системы, которая зависит от вязкости битума и сте- пени его структурирования минеральным порошком. Этим обу- словлено применение в литом асфальтобетоне более вязких биту- мов и повышенных количеств минерального порошка. С целью определения оптимальной вязкости битума для условий Республики Беларусь, при использовании литой асфальтобетонной смеси были проведены экспериментальные исследования: был рас- 28 смотрен ряд смесей, разных по зерновому составу и количеству вя- жущего. Остановимся более подробно на двух из них, обладающих рядом положительных свойств: первая смесь (структура образую- щей фракции 5–10 мм): щебень 5–10 – 60 %, щебень 2,5–5 – 15 %, отсев – 10 %, МП – 15 %, битум – 9,5 %; вторая (структура образу- ющей фракции 2,5–5 мм): щебень 2,5–5 – 20 %, отсев – 55 %, МП – 25 %, битум – 12,5 %. За основной параметр работоспособности по- крытия принят уровень надежности. Общий уровень надежности учитывает сдвигоустойчивость и температурную трещиностойкость литого асфальтобетона, которые наиболее важны для условий Республики Беларусь, и определяется по формуле 2 o 1 2 .P P P (1.1) По результатам вычислений была получена зависимость общего уровня надежности от вязкости применяемого в литом асфальтобе- тоне битума (рисунок 1.18). Рисунок 1.18 – Зависимость общего уровня надежности от вязкости битума Анализируя полученные данные, можно отметить, что состав 1 не может быть использован в качестве верхнего слоя покрытия, т. к. общий уровень надежности меньше допускаемого значения, равно- 29 го 0,9. Оптимальной вязкостью битума при применении состава 2 является вязкость в пределах от 35 до 45 градусов пенетрации. Она может быть рекомендована для приготовления литой асфальто- бетонной смеси, однако следует уделить особое внимание правиль- ному подбору состава. Битум является основным компонентом литых асфальтобетон- ных смесей, и его свойства во многом определяют надежность и долговечность дорожных покрытий. Как указывалось выше, увели- чение количества вяжущего в асфальтобетоне приводит к возрас- танию вероятности возникновения пластических деформаций. Эту вероятность можно уменьшить применением битумов большей вязкости, однако увеличение вязкости приводит к усилению образо- вания трещин вследствие более высокого коэффициента объемного температурного расширения. Одним из наиболее перспективных путей повышения термостабильности битума является введение в его состав добавок полимеров, улучшающих структурно-механи- ческие свойства материала. Модифицированные битумы отлича- ются рядом положительных свойств: более широким интервалом пластичности, пониженной температурой хрупкости, эластичнос- тью и т. д. В настоящее время для модификации дорожных битумов используют в основном сополимеры типа стирол-бутадиен-стирол (СБС). Основной особенностью влияния сополимеров на битум является появление полистирольной сетки после растворения бутадиена (изопрена). Данная сетка повышает качество, эластич- ность и вязкость битума, что в комплексе улучшает эффект. Однако эффективность применения сополимеров типа СБС в дорожном строительстве носит довольно противоречивый характер и требует дополнительно анализа, особенно в условиях Республики Беларусь. Кроме того, следует учитывать, что стоимость СБС достигает 4,5 тысяч долларов США за 1 тонну. Это приводит к увеличению стоимости одной тонны битума в 3–4 раза. Поэтому весьма актуален вопрос разработки мероприятий по снижению расхода СБС в битуме, а также замены его местным (белорусским) сырьем. В последнее время на рынке Беларуси появилось множество новых полимерных добавок. Особый интерес представляет полимер Duroflex, отличительной особенностью которого является то, что полимер вводится не в вяжущее вещество, а на стадии горячего смешения минеральных материалов. 30 Оценку качества литого асфальтобетона (состав: щебень 5–10 – 60 %, щебень 2,5–5 – 15 %, отсев – 10 %, МП – 15 %, битум – 8,0 %) с различным содержанием полимера производили путем определения комплексного показателя – общего уровня надежности (Pо), отража- ющего устойчивость литого асфальтобетона к колееобразованию (P1) и температурной трещиностойкости (Р2). По полученным данным была построена зависимость уровня надежности материала покрытия от количества вводимой добавки. Анализ приведенной зависимости свидетельствует, что количес- твенное увеличение содержания в литой смеси полимерной добавки ведет к увеличению устойчивости при высоких температурах и трещиностойкости литого асфальтобетона. Однако с точки зрения прочностной долговечности применение полимера эффективно при введении его в количестве 2,3 %. Литой асфальтобетон – уникальный по своим показателям и ха- рактеристикам материал, однако для его широкого применения в условиях Республики Беларусь требуется глубокий научный анализ. Необходимо уделять особое внимание правильному подбору соста- ва, параметрам оптимального количества и вязкости применяемого вяжущего вещества, правильному выбору и оптимальному количе- ству вводимой в смесь полимерной добавки, обеспечивающей до- стижение наиболее термостабильной системы (минеральный мате- риал – асфальтовяжущее вещество). Основной причиной, сдерживающей применение в Республике Беларусь литого асфальтобетона, являются технологические слож- ности из-за отсутствия специализированных средств для доставки смеси и технологических комплексов по ее укладке, повышающих культуру производства. Щебнемастичный асфальтобетон (ЩМА) Во многих странах мира одним из способов продления сроков службы верхних слоев дорожных одежд является применение ЩМА, особенностями которых являются прерывистый грануломет- рический состав, высокое содержание самой крупной фракции и асфальтовяжущего, наличие стабилизирующих добавок. Данный вид материала покрытий обладает большей долговечностью по сравнению с наиболее часто применяемыми плотными смесями. Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси были разрабо- таны во второй половине 60-х годов прошлого века в Германии и 31 получили название «Splittmastixasphalt» (SMA) [4], а в 1984 г. был введен первый национальный стандарт Германии на их состав, свойства и применение [5]. В России устройство покрытий из ЩМА начато в 2000 г. При- мерно с этого же времени устраиваются покрытия из данного мате- риала в Республике Беларусь и в других странах СНГ. В 2001 г. РУП «БелдорНИИ» выпущены технические условия на смеси асфальтобетонные щебеночно-мастичные и асфальтобетоны, полученные с применением целлюлозного волокна, а в 2004 г. дан- ные смеси вошли в СТБ 1033–2004. Щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси завоевали в по- следнее время большую популярность в Европе в качестве материа- ла дорожных покрытий на дорогах с большой интенсивностью дви- жения, в аэропортах и морских портах, а также начали распростра- няться по всему миру. Например, в Австралии на участках для авто- мобильных большегрузных транспортных средств, особенно на пе- ресечениях, рекомендуется применять щебеночно-мастичный ас- фальтобетон вместо традиционно применяемого асфальтобетона «открытого» типа как более долговечный и более устойчивый к ин- тенсивным климатическим и транспортным воздействиям [6]. По рекомендациям, представленным в источнике [7], щебеночно- мастичные смеси с максимальным размером зерен щебня 16–22 мм рекомендуется использовать на улицах с интенсивностью движения 5000 и более автомобилей в сутки, а с максимальным размером зе- рен щебня 6–11 мм – с интенсивностью 2500–10 000 автомобилей в сутки. Рекомендуется также использовать данные смеси для устройства верхнего слоя покрытия и слоя износа на полосах для городского общественного транспорта. В США большинство покрытий из щебеночно-мастичных смесей устраиваются на старом асфальтобетонном покрытии, имеющем различные дефекты, в том числе продольные и поперечные трещи- ны. Тем не менее на таких участках после достаточно долгого вре- мени эксплуатации имеются только отраженные поперечные тре- щины при полном отсутствии других их видов. Все трещины узкие и не имеют разветвлений [8]. Если проанализировать динамику применения смесей SMA в За- падной Европе, то можно отметить постепенный переход к устрой- ству тонких защитных слоев покрытий. Это согласуется с совре- менной тенденцией проектирования долговечных дорожных покры- 32 тий с периодически заменяемыми слоями износа. Считается, что для устройства защитных слоев следует применять щебеночно- мастичные смеси с максимальным размером зерен 5 и 8 мм. В качестве материала для ремонта асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, проходящих в городской и сельской местно- сти стран Европы, используется смесь SMA 0/3 (с максимальным размером минеральных зерен до 3 мм). Популярность щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей во всем мире является следствием их высоких эксплуатационных характеристик и надежности устраиваемых из них покрытий. Основными преимуществами ЩМА и покрытий из них являются: шероховатая текстура поверхности, что обеспечивает доста- точное сцепление колеса с покрытием. Предельное значение коэф- фициента сцепления при скоростях движения 80, 60, 40 км/ч составляет соответственно 0,32, 0,39, 0,46; высокая сдвигоустойчивость при высокой летней температуре (свыше 25 ºС). Так, максимальная глубина колеи на покрытии из щебеночно-мастичного асфальтобетона в 2–2,5 раза меньше, чем у плотного асфальтобетона, после прохода одного и того же количе- ства расчетных осей; высокая износостойкость покрытия. В скандинавских странах для уменьшения износа покрытия вследствие воздействия шипо- ванных шин применяется щебеночно-мастичный асфальтобетон с максимальным размером зерен 32 мм; трещиностойкость при воздействии температуры и транс- портных нагрузок за счет лучших деформативных и прочностных свойств; способность снижать уровень шума; устойчивость к старению за счет повышенного содержания вяжущего; снижение вероятности аквапланирования; высокая водонепроницаемость. Специфика структуры щебеночно-мастичных асфальтобетонов предусматривает обязательное присутствие в качестве основных структурных составляющих прочного щебня с улучшенной (кубовид- ной) формой зерен, «объемного» битума и небольшого количества стабилизирующей (обычно волокнистой) добавки для дисперсного 33 армирования вяжущего. Под «объемным» битумом принято понимать ту часть вяжущего в асфальтобетонной смеси, которая не подвержена структурирующему влиянию поверхностных сил, действующих на границе раздела фаз. Основное назначение стабилизирующих добавок – удерживать толстые пленки битума на поверхности минерального мате- риала при высоких температурах приготовления, транспортирования и укладки. В структурном отношении щебеночно-мастичные асфальтобетон- ные смеси значительно отличаются от других типов асфальтобетон- ных смесей, поэтому они были отнесены к самостоятельной группе дорожно-строительных материалов. Принципиальное отличие обна- руживается уже на макроструктурном уровне при формировании ми- нерального остова асфальтобетона. В таблице 1.3 представлены зерновые составы минеральной части асфальтобетонных смесей: 1 – мелкозернистого плотного горячего асфальтобетона типа А; 2 – ще- беночно-мастичного асфальтобетона ЩМСц-20 [9]. Как видно из таблицы 1.3, основными отличиями являются высокое содержание фракционированного щебня (порядка 70–80 % по массе), который предназначен для создания максимально устойчивого каркаса в уплотненном слое покрытия, и высокое содержание самой крупной фракции 15–20 мм до 50 %. Таблица 1.3 – Массовая доля зерен минеральной части асфальтобетонных смесей (%) Тип смеси Зерна минерального материала, мм, мельче 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071 1. ЩМАг 100–90 100–75 100–62 50–40 38–28 28–20 20–14 16–10 12–6 10–4 2. ЩМСц-20 100–85 70–50 42–25 30–20 25–15 24–13 21–11 19–9 15–8 13–8 Каркасный минеральный остов независимо от вяжущего облада- ет достаточным сопротивлением сдвигу даже при максимально возможных транспортных нагрузках. Особенностью каркасного ас- фальтобетона является повышенное содержание в нем свободного битума, что следует рассматривать как положительный фактор, по- вышающий деформативность асфальтобетона при отрицательных температурах. 34 Чтобы получить наиболее устойчивый пространственный каркас, образованный зернами, при достаточно большом количестве межзер- новых контактов наиболее крупных частиц, минеральная часть плот- ных асфальтобетонов должна обеспечивать максимально плотную упаковку зерен. Битум в таком случае находится на зернах в виде структурированных пленок, склеивает их в монолит и является запол- нителем межзернового пространства. При уплотнении и формирова- нии пространственного каркаса свободный битум играет роль смазки. Щебеночно-мастичный асфальтобетон характеризуется самым высоким пределом текучести при сдвиге из всех плотных горячих асфальтобетонов. Причем чем выше удельное давление на покры- тие, тем большее усилие в асфальтобетоне воспринимается щебе- ночным каркасом. В то же время сцепление при сдвиге и предел прочности при сжатии при 50 °С у ЩМА самые низкие, что связано с повышенным содержанием вяжущего и низкой степенью структу- рирования его в смеси [10]. Необходимо отметить, что прочность каркасных композитов, к которым можно отнести и щебеночно-мастичные асфальтобетоны, зависит от многих факторов структурообразования: количественного соотношения матрицы и заполнителя по объему; раздвижки зерен заполнителя; степени наполнения матрицы. Поэтому к дозированию исходных материалов предъявляются повышенные требования. Таким образом, структура щебеночно-мастичных асфальтобето- нов оптимально сочетает максимальную жесткость в условиях трехосного сжатия и сдвига и одновременно максимальную подат- ливость и высокую деформативность материала при растяжении. Исходя из условий напряженно-деформированного состояния до- рожных покрытий при эксплуатации, эти два противоположных качества асфальтобетона особенно важны. Качество щебеночно-мастичного асфальтобетона в целом в зна- чительной степени зависит от качества каждого компонента. Важнейшим элементом структуры ЩМА является щебень. Для приготовления смесей принято использовать щебень из плотных трудношлифуемых горных пород (например, гранит, базальт и др.), обладающих хорошим сцеплением с применяемым битумным вя- жущим. По форме зерен применяемый щебень должен быть кубо- видным. Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы не должно превышать 15 % по [7] и 25 % по [9]. 35 Если учесть, что основная нагрузка воспринимается щебеноч- ным остовом, марка щебня по дробимости в цилиндре должна быть не ниже 1200 [9]. Для приготовления щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей применяются как природные пески, так и пески из отсевов дробления с массовой долей глинистых примесей не более 0,5 %, а также стандартные минеральные порошки. Чтобы удерживать горячий маловязкий битум на поверхности зе- рен минерального материала во время предварительного хранения и транспортирования щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей, в их состав вводятся специальные стабилизирующие добавки. Первоначально (до 80-х годов XX века) в ЩМА в качестве стабили- зирующих добавок использовали преимущественно асбест и резиновую крошку. Однако затем по техническим, научно-исследовательским и экологическим соображениям круг стабилизирующих добавок был расширен: в смесях стали применять добавки целлюлозных, полимер- ных и минеральных волокон, термопластичные полимеры, производные кремниевой кислоты и природные битумы. К настоящему времени наибольшее распространение получили стабилизирующие добавки, приготовленные на основе целлюлоз- ных волокон (VIATOP, TOPCEL, TECHNOCEL, ITERFIBRA, ARBOCEL, ANTROCEL и др.). Из акриловых волокон предлагается для использования в асфальтобетонных смесях DOLANIT. Допол- нительно в состав асфальтобетонов могут вводиться и дисперсные волокна, упрочняющие структуру (например, синтетические во- локна и стекловолокно) [11]. Круг стабилизирующих добавок может быть расширен за счет улучшения поверхности (активации) волокон или минеральных по- рошков, что позволит использовать продукцию белорусских произ- водителей. В некоторой степени (т. к. целлюлозные волокна не улучшают прочностные характеристики асфальтобетонов, а явля- ются только стабилизатором) может быть повышена и деформаци- онная устойчивость материала, особенно сдвигоустойчивость и трещиностойкость. Для этих целей могут быть использованы акти- вационные технологии, описанные в работе [12]. В качестве стабилизирующих добавок в ЩМА чаще всего реко- мендуется использовать однородное целлюлозное волокно, в состав которого входит не менее 50 % фибр длиной от 0,5 до 1,9 мм. 36 Эффективность применения стабилизирующих добавок оценива- ется по их влиянию на стекание вяжущего [7]. Таким образом, в настоящее время в республике применяются целлюлозные волокна и гранулы (волокно и битум) импортного производства, что существенно увеличивает стоимость ЩМА. При этом данный вид стабилизирующей добавки повышает технологи- ческую устойчивость ЩМА и не предполагает увеличения проч- ностных свойств асфальтобетона. Полулитые асфальтобетонные смеси Как было показано выше, литой асфальтобетон имеет минималь- ный уровень надежности в пределах 0,95, щебнемастичный – 0,84. Следовательно, между данными типами асфальтобетона можно выделит «промежуток» в пределах 0,84–0,95. Этот промежуток за- нимает полулитой асфальтобетон. Отличие данного асфальтобетона от литого заключается в мень- шем содержании битума и минерального порошка, а также в при- менении стабилизирующих добавок. Это позволяет отказаться от применения специальных термосов-смесителей при доставке асфальтобетона на объект – основного недостатка литого асфальто- бетона. По сравнению со щебнемастичным асфальтобетоном полу- литой обладает повышенной подвижностью, что снижает затраты на уплотнение, а также повышенной плотностью. Полулитой асфальтобетон требует посыпки поверхности фрик- ционным материалом для повышения шероховатости. Опытное строительство покрытий из полулитого асфальтобетона было выполнено на мостовом полотне Минской кольцевой автодо- роги (рисунок 1.19). Опыт двухгодичной эксплуатации показал хорошее качество данного материала и его устойчивость к динами- ческим воздействиям. К понятию полулитой асфальтобетон можно отнести составы и технологию получения вибролитых асфальтобетонных смесей. В настоящее время на данные смеси в Институте дорожных исследова- ний разрабатывается нормативный документ в виде технических усло- вий. 37 Рисунок 1.19 – Общий вид мостового полотна из полулитого асфальтобетона На базе исследований М. С. Мелик-Багдасарова разработан спе- циальный метод проектирования оптимальной рецептуры смеси, учитывающей конкретные характеристики (свойства) исходных ма- териалов, условия строительства и эксплуатации, технологию ее приготовления, транспортирования и укладки. Состав смеси следу- ющий: наибольший размер частиц наполнителя, мм....................20 содержание, % от массы: частиц крупнее 5 мм.....................................................50–55 асфальтовяжущего вещества (Б+Мч)..........................20–25 Фазовый состав асфальтовяжущего вещества (Б/Мч).......0,4–0,55 Асфальтовяжущее вещество (Б+Мч) – смесь битума (Б) и мелко- дисперсных минеральных частиц мельче 0,071 мм (Мч). Фазовый состав асфальтовяжущего вещества (Б/Мч) – отноше- ние количества битума к количеству минеральных частиц мельче 0,071 мм. По консистенции вибролитая смесь представляет собой вязко- пластичную массу, которую можно выпускать практически на любой асфальтосмесительной установке периодического действия, перево- зить в кузове автомобиля-самосвала не опасаясь расслоения, уклады- вать и уплотнять рабочими органами обычного асфальтоукладчика. 38 Смесь насыщена зернистым наполнителем, который покрыт отно- сительно толстым слоем асфальтового вяжущего вещества. Под дей- ствием виброплиты (вибротрамбующего бруса) асфальтоукладчика зерна быстро занимают упорядоченное положение в подвижной среде концентрированного асфальтового раствора, происходит сближение частиц, перераспределение и выравнивание молекулярного силового поля с переходом структуры в состояние кинетического равновесия. При этом слой покрытия становится настолько плотным, что в до- уплотнении не нуждается. С понижением температуры смеси с 200 оС до температуры воздуха покрытие затвердевает и приобретает свой- ства сдвигоустойчивого и гибкого монолита, по которому может быть сразу открыто движение. Практика показала, что наилучшие условия доставки вибролитой смеси обеспечивают машины грузоподъемностью не менее 10 т с кузовом, имеющим задний борт, обогрев выхлопными газами, тент, подъемное устройство, обеспечивающее постепенное увеличение угла с фиксацией кузова в любом рабочем положении, устройство, встряхивающее кузов для освобождения его от налипшей смеси. Вибролитую смесь изготавливают в соответствии со специаль- ным технологическим регламентом, учитывающим специфику конкретного производства. Температура смеси должна быть в пределах 190–200 °С при тем- пературе воздуха выше +10 °С и не ниже 220 °С при температуре воздуха от +10 до +5 °С. Хранить смесь в обычном накопительном бункере без обогрева нельзя, т. к. при остывании она теряет по- движность. С завода вибролитую смесь транспортируют при температуре воздуха выше +10 °С и расположении места укладки в 40–60 мин езды от асфальтобетонного завода в тентованных кузовах автомо- билей-самосвалов. При температуре воздуха от +10 до +5 °С и зна- чительном отдалении объекта от АБЗ смесь перевозят в термосах- миксерах. Битум должен иметь следующие свойства: глубина проникания иглы при +25 °С................................. 40–90 температура размягчения по методу КиШ, °С, не ниже.....51 температура вспышки, °С, не ниже.......................................240 Устройство покрытия производят асфальтоукладчиком. Данный процесс завершают распределением и втапливанием черного щебня. 39 Его расход составляет 5–6 кг/м2. Щебень распределяют в одну ще- бенку, которую после остывания покрытия до 50 °С втапливают легким катком. Невтопившийся щебень сметают с поверхности. Материалы для устройства несущего слоя Для устройства нижнего несущего слоя преимущественно ис- пользуются асфальтобетоны повышенной жесткости (АПЖ) и бето- ны на органогидравлических вяжущих. АПЖ – это асфальтобетоны, приготовленные на битумах повы- шенной вязкости или твердых битумах. От свойств материалов конструктивных слоев в значительной степени зависит долговечность всей дорожной одежды. Свойства же асфальтобетона в большей степени зависят от свойств применяемого вяжущего. В настоящее время в Республике Беларусь повсеместно применяются битумы марки БНД 90/130, качество которых не позво- ляет обеспечить требуемую надежность асфальтобетона. В зарубеж- ных же странах для устройства конструктивных слоев дорожных одежд повышенной деформационной устойчивости применяются твердые битумы, модифицированные битумы, битумы повышенной жесткости. Твердые битумы (с глубиной проникания иглы при 25 °С менее 25 °П) получили широкое применение во Франции [13–15]. При этом выбор таких вяжущих осуществляется на основании определе- ния реологических характеристик асфальтобетонов в зависимости от температуры и времени действия нагрузок. При исследованиях учитывается также предварительное старение битума. На основании твердых битумов получают высокомодульные ас- фальтобетоны, обладающие повышенной сдвигоустойчивостью и применяющиеся при устройстве промежуточных асфальтобетонных слоев. Применение таких асфальтобетонов представляет большой интерес и является экономически выгодным. Твердых битумов во Франции использовали в 1990 году 39 000 тонн, в 1995 году – 77 000 тонн, в 2000 году – 100 000 тонн. В настоящее время вся Франция разделена на три зоны по климату: 1 – в основном океанический климат (Тмакс 27 °С; Тмин 0 °С); 2 – в основном южный климат (Тмакс 27 °С; Тмин 0 °С); 3 – в основном континентальный или горный климат (Тмин < 0 °С). 40 Вся площадь страны может быть разбита на зоны по минималь- ным и максимальным температурам покрытий (рисунок 1.20). Рисунок 1.20 – Зональность Франции по температуре покрытий В таблице 1.4 представлены рекомендации по применению би- тумов в зависимости от расположения проектируемого участка над уровнем моря. Таблица 1.4 – Применение битумов в зависимости от расположения проектируемого участка над уровнем моря Тип климата 1 2 3 Высота над уровнем моря < 500 м 35/50 35/50 35/50 Высота над уровнем моря > 1000 м 50/70 50/70 50/70 Высота над уровнем моря < 500–1000 м – 50/70 70/100 Применяются также три вида твердых битумов, характеристики которых представлены в таблице 1.5. 41 Таблица 1.5 – Характеристика твердых битумов Марка Температура размягчения Индекс пенетрации Динамическая вязкость, мм2 /сек Комплексный модуль при 7,8 HZ. [E*], МПа при 0 °С при 10 °С при 20 °С при 60 °С 15/25 66 +0,2 420 420 180 70 0,4 10/20 62–72 +0,5 700 700 300 110 0,7 5/10 87 +1,0 980 980 570 300 7 На рисунках 1.21 и 1.22 представлены экспериментальные зави- симости для определения комплексного модуля сдвига G* и угла сдвига фаз . Из этих зависимостей может быть определена оста- точная деформация, равная G* / sin . Рисунок 1.21 – Зависимость для определения комплексного модуля сдвига 42 Рисунок 1.22 – Зависимость угла сдвига фаз от температуры Как видно из зависимостей, твердые битумы вполне могут обес- печить необходимую сдвигоустойчивость на дорогах с большой интенсивностью тяжелых транспортных средств. Для асфальтобетонных смесей, содержащих твердые битумы, коэффициент насыщенности битумом K должен составлять не менее 3,4: 5 , б TL K (1.2) где TL – содержание вяжущего; – 2,65 / Gse (Gse – истинная плотность минеральных материалов); 100 = 0,25G + 2,3S + 12s + 135f, где G – % > 0,63 мм; S – % между 0,63 и 0,315 мм; s – % между 0,315 и 0,08 мм; f – % < 0,08 мм. Минимальное содержание вяжущего для смеси с максимальным размером 14 мм (рисунок 1.23) составляет в среднем 5,7 %. 43 Рисунок 1.23 – Зерновой состав минеральной части асфальтобетонной смеси (размер 14 мм) на твердом битуме По своей жесткости при высоких температурах эти асфальтобе- тоны соизмеримы с асфальтобетонами на модифицированных вяжущих (рисунок 1.24). Рисунок 1.24 – Модуль жесткости асфальтобетонов 44 Такие асфальтобетоны имеют достаточно высокую сопротивля- емость сдвиговым деформациям при испытаниях на круговом стен- де (LCPC) (рисунок 1.25). Рисунок 1.25 – Испытательный стенд и результаты испытаний на колееобразование По усталостной долговечности асфальтобетон, содержащий твердые битумы, не уступает плотным асфальтобетонам. При этом требуемое минимальное значение деформации для плотных асфаль- тобетонов составляет 80 · 10–6, а на высокомодульных асфальтобе- тонах оптимального состава – 130 · 10–6. При проектировании конструкции дорожной одежды общая толщина асфальтобетонов с использованием высокомодульного ас- фальтобетона снижается в сравнении с традиционной на 25 %, что является экономически весьма эффективным. Некоторой проблемой является температурная трещиностой- кость, однако, учитывая, что эти смеси применяются в качестве материала нижних слоев, они могут быть применены вплоть до –13 °С (в слое). Поэтому весьма важно подбирать конструкцию, основываясь на данных температурных характеристик и распреде- ления температуры по глубине дорожной одежды. Для условий Республики Беларусь можно рекомендовать многоще- бенистые асфальтобетоны грансостава, представленного в таблице 1.2, которые готовят на битумах пенетрацией 30–70 градусов. Для наиболее ответственных объектов целесообразно использо- вать модифицированные битумы. Повышение качества и долговечности дорожных покрытий, снижение стоимости и материалоемкости дорожного строительства невозможно без применения новых конструкционных материалов. Одним из таких материалов является бетон на композиционных би- тумно-цементных (органогидравлических) вяжущих. 45 Бетон на органогидравлических вяжущих (ОГВ) – искус- ственный строительный материал, сочетающий в своей структуре свойства термодинамически несовместимых органических (битум, деготь) и гидравлических (цемент, гипс, зола и т. д.) вяжущих. Появление бетонов на ОГВ в дорожном строительстве было свя- зано с рядом причин: 1) недостаточной надежностью и долговечностью традиционного асфальтобетона при действии современных транспортных нагрузок; 2) внедрением новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, требующих наличия в структуре материала воды (эмульсии, вспе- ненные битумы, влажные органоминеральные смеси и т. д.); 3) появлением новых технологий ремонта и реконструкции дорож- ных покрытий (метод Ресайклинга, холодного ремиксирования и др.). Основным структурообразующим элементом бетонов на ОГВ являются межфазные переходные слои кластерного типа. Посколь- ку гидравлические и органические вяжущие являются термодина- мически несовместимыми и не могут образовать устойчивой однофазной системы, граница раздела фаз является размытой и кон- такты осуществляются через межфазные переходные слои. На фор- мирование межфазных слоев оказывают влияние как физические (прорастание кристаллов, адсорбция, разрушение ассоциатов биту- ма, перенос ионов, образование двойных электронных слоев), так и химические (образование связей типа Mе+ООCR–, водородных -Н-О и др.) процессы. Процесс структурообразования бетонов на ОГВ заключается в появлении различного рода связей прогидратировавших агрегатов гидравлического вяжущего между собой при наличии пленок орга- нического вяжущего различной толщины. В ряде случаев возможно появление фазовых контактов между прогидратировавшими агрега- тами цемента, вызванных взаимодействием продуктов гидратации. Эти контакты возникают в разрывах битумных пленок, а также че- рез битумные пленки небольшой толщины. Причинами появления разрывов при наличии углеводородных пленок являются: внут- рикристаллическое давление, перенос ионов вследствие диффузии, разрыв углеводородных пленок в результате контракции, частичная взаимная растворимость составляющих. 46 В Республике Беларусь издан стандарт СТБ 1415–2003 «Бетоны на органогидравлических вяжущих». В соответствии с ним смеси для бетонов на ОГВ делятся на три группы: 1) смеси, состоящие из щебня (гравия), песка (природного и искусственного), гидравлического вяжущего, органического вяжу- щего и воды. Данные смеси могут также содержать определенное количество минерального порошка (до 50 % от массы цемента); 2) смеси, состоящие из щебня (гравия), песка (природного и ис- кусственного), портландцемента (сланцевой золы, шлакопортланд- цемента) и битумной эмульсии; 3) смеси, состоящие из старого дробленного асфальтобетона (в дальнейшем – асфальтобетонный гранулят), битумной эмульсии, портландцемента. Смеси этой группы могут содержать также опре- деленное количество щебня и песка из отсева дробления. В зависимости от общего уровня надежности, назначаемого по срокам службы до капитального ремонта, бетоны на ОГВ делятся на три марки: I – общий уровень надежности 0,9 (срок службы 15–18 лет); II – общий уровень 0,75–0,9 (срок службы 10–12 лет); III – общий уровень 0,6–0,75 (срок службы 8–10 лет). В условиях Республики Беларусь наиболее рационально использо- вать бетоны третьей группы. Поэтому остановимся на некоторых ас- пектах технологии получения бетонов на ОГВ путем обработки фрезе- рованного асфальтобетона битумной эмульсией и цементом. Бетоны на ОГВ приготавливаются в стационарных или мобильных установках, специальных смесителях-укладчиках и укладываются в конструктивные слои дорожной одежды в холодном состоянии. Воз- можны две принципиальные технологические схемы: 1) смесь готовят в стационарных или передвижных смесителях с последующей доставкой на объект, укладкой и уплотнением (ре- микс в установке); 2) смесь готовят на месте с помощью специальных фрез- смесителей с последующим ее распределением по покрытию и уплотнением (ремикс на месте). В первом случае асфальтобетонный гранулят для производства холодных смесей приготавливают путем прямого фрезерования су- ществующего покрытия «холодными» фрезами с последующей отгрохоткой фракции крупнее 40 мм или переработкой асфальтобе- 47 тонного лома на стационарных или мобильных базах, оснащенных дробильно-сортировочным оборудованием с дробилками ударного или центробежно-ударного действия. В последнем случае максимальная крупность асфальтобетонного гранулята принимается равной 20 мм. При прямом фрезеровании покрытий «холодными» фрезами рекомендуется использовать фрезы, ротор которых имеет направле- ние вращения «сверху вниз» к фрезеруемому покрытию. При фрезеровании такими типами фрез асфальтобетонный гранулят имеет однородный гранулометрический состав, малое содержание пылеватых частиц, полное отсутствие гранул размером более 40 мм и может быть использован в производстве бетонов на ОГВ без последующей прогрохотки. Покрытия и основания из холодного регенерированного асфальтобетона следует укладывать при темпе- ратуре воздуха не ниже +5 ºС. Допустимо производить укладку при моросящем дожде. Осенью следует заканчивать укладку холодной регенерированной смеси не позднее 2–3 недель до наступления устойчивых отрицательных температур. В Республике Беларусь устройство покрытий из данного матери- ала было осуществлено в 2000 г. на дороге Новый Двор – Шершуны – Среднее. Состав применяемой смеси был следующим: катионная битумная эмульсия – 3 %, портландцемент марки 400 – 5 %, вода – 2 %, асфальтобетонный гранулят – 90 %. Данный состав был выбран с точки зрения обеспечения оптимальной трещино- стойкости. Смеси готовили на стационарном бетоносмесителе ДС-50 по холодной технологии. Укладка производилась самоходным асфаль- тоукладчиком, уплотнение – пневмо- и гладковальцевыми катепами. В 2000 г. силами ПРСО «Минскоблдорстрой» при научном со- провождении БГПА было устроено около 4,7 км дорожных покры- тий из подобных смесей на ряде объектов Минской области. В результате было сэкономлено 72 тонны мазута, 266 тонн битума, 1826 м3 щебня, 9292 кВт·ч электроэнергии. Экономический эффект составил около 61 тыс. у. е. В настоящее время ПРСО «Минскоблдорстрой» ежегодно пере- рабатывает около 15 000 тонн фрезерованного асфальтобетона. Для получения бетонов на ОГВ в г. Минске используются современные тех- нологические комплексы типа КМА-2000. 48 При второй технологической схеме выполняют следующие опе- рации: 1) распределение цемента по покрытию в количестве 3–8 % от массы покрытия с помощью специальных механизмов; 2) фрезирование покрытия с подачей битумной эмульсии или вспененного увлажнением битума (подача вяжущего на фрезу) в количестве 5–7 %, перемешивание и подачу смеси на покрытие; 3) распределение полученной смеси по ширине покрытия авто- грейдером и уплотнение. В современных технологических комплексах цемент подают непосредственно в смеситель в виде водной суспензии. Выполнение всех операций производят с помощью специальных машин – комбайнов фирмы «Wirtgen». Характерно, что данные тех- нологические комплексы позволяют вместо эмульсий использовать и их разновидность – вспененные битумы. В этом случае синхронно с фрезой движется автогудронатор, соединенный со вспенивающей камерой, где происходит контакт горячего битума и воды. Стои- мость работ в данном случае существенно снижается. Подобные машины обладают высокой производительностью (до метров в ми- нуту) и позволяют получить достаточно качественные смеси. В настоящее время в БНТУ разработаны методика, алгоритм и программа получения бетонов на ОГВ требуемой марки с учетом особенностей состава гранулята, требующие минимальных трудо- вых и финансовых затрат. При подборе составов у производителя должны быть отражены следующие показатели в соответствии с СТБ 1415–2003: 1) индекс сопротивления пластическим деформациям; 2) индекс температурной трещиностойкости; 3) показатель предельной структурной прочности; 4) коэффициент морозостойкости; 5) расчетные характеристики для проектирования дорожной одежды (модуль упругости, предел прочности на изгиб); 6) уровень надежности и марка бетона. При этом состав должен удовлетворять следующим требованиям: соотношение «цемент–эмульсия» должно находиться в пределах 1,6–1,7, а общее количество вяжущего (цемент плюс эмульсия) должно составлять 7–10 %. 49 Возможны три основных решения при назначении конструкции покрытия с применением бетонов на ОГВ: 1. Дорожное покрытие из бетона на ОГВ толщиной 6–15 см (по расчету) с одиночной поверхностной обработкой. Данный вид кон- струкции применяют, если коэффициент морозостойкости бетона выше 0,8 и индекс температурной трещиностойкости выше 0,6. 2. Дорожное покрытие из бетона на ОГВ толщиной 6–15 см с двойной поверхностной обработкой. Данный вид конструкции при- меняют, если коэффициент морозостойкости бетона составляет 0,6–0,8 и индекс температурной трещиностойкости – 0,5–0,6, а также при сохранении устойчивости к пластическим деформациям. 3. Дорожное покрытие из асфальтогранулобетона на композици- онном вяжущем толщиной 6–15 см с устройством слоя асфальтобе- тона толщиной 3–5 см. Данный вид конструкции применяют, если коэффициент морозостойкости бетона ниже 0,6 и индекс темпера- турной трещиностойкости составляет 0,4–0,5. Таким образом, применение бетонов на ОГВ позволяет наряду с экономической целесообразностью добиться требуемых свойств по жесткости для их применения в качестве несущего слоя. Материалы для устройства нижних слоев Материал нижнего слоя должен обеспечивать высокую уста- лостную долговечность и прочность на изгиб. Данные показатели возрастают с увеличением плотности материала и количества вя- жущего. Вязкость же битума должна быть оптимальной. Таким требованиям удовлетворяют литые, полулитые и щебне- мастичные асфальтобетоны. Однако, учитывая высокую стоимость, использовать их в нижних слоях нецелесообразно. Предпочтение следует отдать плотным песчаным асфальтобетонным смесям. Песчаные асфальтобетоны обладают высокой усталостной долго- вечностью. При этом оптимальной является вязкость в пределах 50–70 ºП, а содержание битума должно находиться в пределах 7–9 %. В качестве нижнего и несущего слоя можно использовать цемен- тобетон и его разновидности (например, тощий бетон). Подобные материалы обладают высокой распределяющей способностью и хо- рошо сопротивляются усталостным разрушениям, однако при применении цементобетона необходимо принять меры по предот- 50 вращению отраженных трещин. Обычно эту функцию выполняет трещинопрерывающая прослойка. В результате конструкция по- крытия имеет вид, представленный на рисунке 1.26. Рисунок 1.26 – Конструкция дорожного покрытия с нижним слоем из цементобетона: 1 – покрытие; 2 – несущий слой покрытия; 3 – трещинопрерывающая прослойка; 4 – цементобетон и его разновидности При применении таких конструкций нарезка деформационных швов в цементобетоне не производится. Для широкого применения данных конструкций требуется совершенствование методик расчета на прочность и деформационную устойчивость. 3 1 2 4 51 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ПО ТОЛЩИНЕ ДЛЯ ЗАГОРОДНЫХ ДОРОГ И ГОРОДСКИХ УЛИЦ 2.1 Расчетные нагрузки и методика приведения автомобилей к расчетному Расчетную нагрузку принимают 13 т/ось. Величина эквивалентного диаметра отпечатка колеса расчетной оси транспортного средства при приведении к ней фактических транспортных средств принимается равной 28 см. При этом приве- дение транспортного потока к расчетным осям производится по сдвигоустойчивости для одного колеса расчетной оси. Величина эквивалентного диаметра отпечатка колеса реального транспортного средства может быть определена по приведенной ниже методике. Коэффициент динамичности составляет 1,3 при рессорной под- веске и 1,15 при пневмоподвеске. Для стандартных шин нормаль- ный прогиб шины вычисляют по формуле н , мм, b g z w Q K f a P (2.1) где а и b – экспериментальные константы (таблица 2.1); Qн – нормативная статическая нагрузка на колесо, кН; Kg – коэффициент динамичности. Рw – номинальное давление воздуха в шине, МПа; Таблица 2.1 – Экспериментальные константы Тип шины а b Тип шины а b 9.00R20 3,41 0,67 12.00R20 1,62 0,82 10.00R20 4,28 0,63 385/65R22,5 1,00 0,91 11.00R20 1,65 0,82 385/80R22,5 1,28 0,88 52 Параметры контактного взаимодействия шин с покрытием опре- деляют по формулам: – длина контактного отпечатка к ш1,38 (Д ) , мм,z zL f f (2.2) где Дш – наружный статический диаметр шины, мм; – площадь контактного отпечатка шины к б к0,875 ,мм,F k В L (2.3) где Вб – ширина беговой дорожки шины, мм; k – коэффициент, равный 1 и 2 при односкатном и двухскатном колесе соответственно; – эквивалентный диаметр отпечатка движущегося колеса э к1,13 .D F (2.4) Для других типоразмеров шин принимаются значения для шин с близкими характеристиками. Для уникальных шин (например, шин автомобилей БелАЗ) при определении параметров взаимодействия шин с покрытием необходимо располагать результатами номиналь- ных статических испытаний шин с тем, чтобы установить fz, Fк и Dэ. Приведение по критерию сдвигоустойчивости производится для каждой отдельной оси транспортного средства независимо от ее расположения (в тележке или отдельно). При этом фактическую номинальную нагрузку на одну ось тележки, определяемую по пас- портным данным, следует умножать на коэффициент, вычисляемый по формуле c ,mK a b B c (2.5) где Вт – расстояние между крайними осями тележки, м; a, b, c – параметры, принимаемые по таблице 2.2. 53 Таблица 2.2 – Значение коэффициентов a, b, c Вид тележки Параметры a b c Двухосная 1,7 0,43 0,5 Трехосная 2,0 0,46 1,0 Коэффициент приведения определяется по следующей формуле: 4,4 ф max пр р max ф , ф K (2.6) где фmaxф – величина максимальных касательных напряжений, воз- никающих в дорожной одежде от воздействия односкатного колеса оси фактического транспортного средства, определяемая по зави- симости на рисунке 2.1; р maxф – величина максимальных касательных напряжений, воз- никающих в дорожной одежде от воздействия односкатного колеса расчетной оси, определяемая по зависимости на рисунке 2.1. Представленная методика позволяет принять в качестве расчет- ного любой реальный автомобиль и осуществить приведение к нему транспортного потока через коэффициент приведения, получаемый по формуле (2.6). Рисунок 2.1 – Зависимость для определения максимальных касательных напряжений 54 В таблице 2.3 представлены основные компоновочные схемы транспортных средств, приведение которых осуществляется к рас- четной оси 130 кН по критерию сдвигоустойчивости. Таблица 2.3 – Значение коэффициента приведения к расчетной нагрузке Вид транспортного средства Коэффициенты приведения к расчетной нагрузке Kпр 1. Легковой автомобиль 0,012 2. Микроавтобус 0,02 3. Грузовые автомобили: 3.1. Легкие (грузоподъемность 2–5 т) 0,26 3.2. Средние (грузоподъемность 5–8 т) 0,47 3.3. Тяжелые: 3.3.1. (задняя ось 11,5 т) 1,27 3.3.2. (задняя ось 13 т) 1,64 3.3.3. (тележка 20 т) 2,12 3.3.4. (тележка 26 т) 3,68 4. Автопоезда с полуприцепом: 4.1. (задняя ось тягача 11,5 т) 2,31 4.2. (задняя ось тягача 13 т) 3,42 55 Продолжение таблицы 2.3 Вид транспортного средства Коэффициенты приведения к расчетной нагрузке (Kпр) 4.3. (задняя ось тягача 11,5 т) 2,83 4.4. (задняя ось тягача 13 т) 4,56 4.5. (задняя ось тягача 11,5 т) 5,52 4.6. (тележка тягача 18 т) 2,29 4.7. (тележка тягача 20 т) 3,71 4.8. (тележка тягача 20 т) 5,15 5. Автопоезда с прицепом: 5.1. (задняя ось автомобиля 11,5 т) 3,10 5.2. (задняя ось автомобиля 13 т) 2,67 5.3. (задняя ось автомобиля 11,5 т) 3,21 5.4. (задняя ось автомобиля 13 т) 5,63 56 Окончание таблицы 2.3 Вид транспортного средства Коэффициенты приведения к расчетной нагрузке (Kпр) 5.5. (тележка автомобиля 20 т) 3,10 5.6. (тележка автомобиля 26 т) 5,13 6. Автобусы: 6.1. (задняя ось 11,5 т) 1,50 6.2. (средняя ось 11,5 т) 2,07 6.3. (средняя ось 11,5 т) 2,13 Суточное количество приложений расчетных осей в первый год срока службы определяется по следующей формуле: p пол пр 1 ,m n m N f N K (2.7) где fпол – коэффициент, учитывающий число полос движения и рас- пределение движения по ним (таблица 2.4); n – общее число различных марок транспортных средств m в составе транспортного потока; Nm – интенсивность движения транспортных средств марки m, авт./сут.; Kпр – коэффициенты приведения, определяемые по таблице 2.3 или непосредственно расчетом при известных характеристиках ре- альных транспортных средств по формулам 2.1–2.6. 57 Таблица 2.4 – Значение коэффициента плоскости fпол Число полос движения Номер полосы 1 2 3 1 1,00 – – 2 0,55 – – 3 0,50 0,50 – 4 0,35 0,20 – 6 0,30 0,20 0,05 Примечание: 1. Порядковый номер полосы считается справа по ходу движения в од- ном направлении. 2. Для расчета обочин принимается fпол = 0,01. 3. На многополосных дорогах допускается проектировать дорожную одежду переменной толщины по ширине проезжей части, рассчитав дорож- ную одежду в пределах различных полос в соответствии со значениями Nр . 4. На перекрестках и подходах к ним (в местах перестройки потока ав- томобилей для выполнения левых поворотов и др.) при расчете дорожной одежды в пределах всех полос движения принимается fпол = 0,50, если общее число полос проезжей части проектируемой дороги более трех. 2.2 Конструирование дорожной одежды Конструкция дорожного покрытия включает три слоя (рисунок 2.2): 1) верхний слой покрытия; 2) нижний несущий слой покрытия; 3) нижний слой покрытия. Для получения вышеуказанных конструкций рекомендуется ис- пользовать следующие составы в соответствии с СТБ 1033–2004: 1) верхний слой покрытия: – ЩМСц 10(15) на битуме 90/130; – ЩМСц 10(15) на модифицированном битуме либо с вводом модифицирующих добавок непосредственно в асфальтобетонную смесь; 2) нижний несущий слой покрытия: – ЩМСц 20 на битуме 60/90; 58 – ЩМСц 20 на модифицированном битуме либо с вводом моди- фицирующих добавок непосредственно в асфальтобетонную смесь; – ЩМСц 20 на битуме 90/130; 3) нижний слой покрытия: – песчаный асфальтобетон на битуме 90/130 с вводом модифи- цирующих добавок непосредственно в асфальтобетонную смесь; – песчаный асфальтобетон на битуме 90/130. Рисунок 2.2 – Схема конструкции дорожного покрытия: Et – модуль упругости асфальтобетона верхнего слоя покрытия; Em – модуль упругости асфальтобетона нижнего несущего слоя покрытия; Eb – модуль упругости асфальтобетона нижнего слоя покрытия; Ht – толщина верхнего слоя покрытия; Hm – толщина нижнего несущего слоя покрытия; Hb – толщина нижнего слоя покрытия В таблице 2.5 представлены возможные конструкции дорожных одежд, вид материалов для их устройства и рекомендуемые отношения модулей упругости асфальтобетонных слоев при температуре 50 ºС. Проектировщик на основании данных этой таблицы выбирает ис- ходную конструкцию дорожной одежды. При этом, основываясь на задании заказчика, в котором должен быть указан расчетный срок службы (Tс) (от 15 до 30 лет), он осуществляет выбор, исходя из следующего: 1) конструкции 1 и 1.1 проектируется на расчетный срок службы 15 лет; 59 2) конструкции 2, 2.1, 3, 3.1 проектируются на расчетный срок службы от 15 до 20 лет; 3) конструкции 4 и 4.1 проектируются на расчетный срок служ- бы от 20 до 30 лет. Таблица 2.5 – Конструкции дорожных одежд и их характеристика Отношение модулей Толщина слоев, см Материал слоя Основание – песок природный или грунт, укрепленные неорганическими вяжущими, по СТБ 1521–2005 с маркой по прочности не выше М40 (эквивалентный модуль на поверхности основания не менее 100 МПа) Конструкция 1 Et/Em = 0,5 Em/Eb = 2,0 5–6 10–12 10–12 1.1 2.2 3.2 Конструкция 2 Et/Em = 1,0 Em/Eb = 0,5 5–6 10–12 10–12 1.2 2.3 3.1 Конструкция 3 Et/Em = 1,0 Em/Eb = 1,5 5–6 10–12 10–12 1.2 2.1 3.2 Конструкция 4 Et/Em = 0,5 Em/Eb = 1,0 5–6 10–12 10–12 1.2 2.2 3.1 Основание – ПГС С-5–С-8 по ГОСТ 25607 или щебень из плотных горных пород по ГОСТ 8267–93 (эквивалентный модуль на поверхности основания не менее 150 МПа) Конструкция 1.1 Et/Em = 0,5 Em/Eb = 2,0 4–5 8–10 8–10 1.1 2.2 3.2 60 Окончание таблицы 2.5 Отношение модулей Толщина слоев, см Материал слоя Конструкция 2.1 Et/Em = 1,0 Em/Eb = 0,5 4–5 8–10 8–10 1.2 2.3 3.1 Конструкция 3.1 Et/Em = 1,0 Em/Eb = 1,5 4–5 8–10 8–10 1.2 2.1 3.2 Конструкция 4.1 Et/Em = 0,5 Em/Eb = 1,0 4–5 8–10 8–10 1.2 2.2 3.1 Требуемая толщина слоев покрытия должна определяться расче- том по всем основным критериям деформационной устойчивости в соответствии с разделом 2.3. 2.3 Расчет дорожной одежды на прочность По требуемому сроку службы Tс и cуточному количеству прило- жений расчетных осей Nр в первый год эксплуатации (рисунок 2.3) определяется величина требуемого уровня надежности (Р). В случае проектирования конструкции на срок службы свыше 20 лет расчет верхнего слоя покрытия и всей конструкции на упру- гий прогиб производится на срок службы 20 лет, а остальных слоев на расчетный срок, установленный заказчиком. 61 Рисунок 2.3 – Зависимость для определения требуемого уровня надежности Р Толщина слоев основания, дренирующего и морозозащитного слоев устанавливается расчетом в соответствии с Пособием 3.03.01 к СНиП 2.05.02. При этом общий эквивалентный модуль на поверх- ности основания должен быть не ниже значений, указанных в таблице 2.5. В общем случае расчет дорожной конструкции на прочность производится в следующей последовательности: 1. Расчет дорожной одежды на сдвигоустойчивость: – по максимальным нормальным напряжениям; – по нормальным и касательным напряжениям. 2. Расчет дорожной одежды на усталостную трещиностойкость. 3. Расчет дорожной одежды на упругий прогиб. 4. Расчет дорожной одежды на температурную трещиностойкость. Критерием прочности выступают фактические коэффициенты запаса прочности ( фзK ), устанавливаемые по приведенной ниже ме- тодике, которые сравниваются с требуемым коэффициентом запаса прочности ( трзK ), определяемым по зависимости, представ- ленной на рисунке 2.4. 62 Методика определения коэффициентов запаса прочности следу- ющая: 1. Коэффициент запаса прочности из условия сдвигоустойчиво- сти по нормальным напряжениям при температуре 50 ºС 2 50 2 з с 3 tg 2 2 2tg tg , у С K (2.8) где 50С – определяемое по СТБ 1115 внутреннее сцепление при температуре 50 °С, МПа; tg – определяемый по СТБ 1115 тангенс угла внутреннего трения при температуре 50 ºС; cу – сжимающие напряжения, МПа. Рисунок 2.4 – Зависимость для определения коэффициента запаса прочности трзK 63 2. Коэффициент запаса прочности из условия сдвигоустойчиво- сти по касательным напряжениям при температуре 50 ºС 50 з , ф у tg С K (2.9) где ф – максимальные касательные напряжения, МПа; у – нормальные напряжения, МПа. 3. Коэффициент запаса прочности из условия усталостной трещи- ностойкости по растягивающим напряжениям при температуре 0 ºС 0 2 2 з p 3 tg , 2 2 2tg tg у С K (2.10) где 0С – определяемое по СТБ 1115внутренне сцепление при тем- пературе 0 ºС, МПа; pу – растягивающие напряжения, МПа. 4. Коэффициент запаса прочности по упругому прогибу при тем- пературе 10 ºС ф 2 2 p з (1 м ) 0,4р (5,2 5,5(lg ) 95) , P D P N K l (2.11) где м – коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,35; P – нагрузка на двухскатное колесо расчетной оси, принимае- мое для расчетов 65 кН; D – диаметр круга, равновеликого отпечатку двухскатного колеса, определяемый по формуле 2.4 или принимаемый (при не- возможности определения) для расчетной нагрузки 0,4 м; фl – фактическая расчетная величина упругого прогиба, мм; pN – суммарная интенсивность приложения расчетной нагрузки за весь срок службы: 64 с p дн p 1 ( 0,45) , 1 T q N T N q (2.12) где Тдн – количество дней в расчетный период года, принимаемое 130; Np – суточное количество приложений расчетных осей, опреде- ляемое по формуле 2.7; q – показатель изменения интенсивности в абсолютных единицах; Тс – требуемый срок службы, лет. 5. Критерием, определяющим долговечность дорожного покры- тия из условия восприятия температурных напряжений (расчетная температура –20 ºС), является: тр c cR R , (2.13) где сR – определяемая по СТБ 1115 предельная структурная проч- ность материала конструктивного слоя покрытия, МПа; тр cR – требуемое значение предельной структурной прочности, МПа: тр 0,16 c с(27 ) у tR T , (2.14) где уt – температурные напряжения, возникающие в рассматривае- мом слое, МПа. Расчет производится только для верхнего и нижнего несущего слоев покрытия. 7. Характеристики напряженно-деформированного состояния сло- ев покрытия ( cу , ф, σ, pу , фl , уt ) определяются с использованием специально разработанной компьютерной программы «Nomoread». Интерфейс программы представлен на рисунке 2.5. 65 Рисунок 2.5 – Общий вид программы для расчета напряжений и перемещений в слоях дорожных одежд Для расчетов используются следующие характеристики асфаль- тобетонов конструктивных слоев: – по сдвигоустойчивости: модуль упругости при температуре 50 ºС; – по усталостной трещиностойкости: модуль упругости при тем- пературе 0 ºС; – по упругому прогибу: модуль упругости при температуре 10 ºС; – по температурной трещиностойкости: модуль упругости при температуре 20 ºС; коэффициент температурного расширения. В верхней части рабочего окна программы вводятся расчетные характеристики асфальтобетонов слоев покрытия (модули упруго- сти при расчетных температурах 0, 50, 10 и –20 ºС, а также коэффи- 66 циент температурного расширения), толщина слоев и эквивалент- ный модуль упругости основания. После ввода расчетных характеристик нажатием кнопки «Доба- вить» они передаются в расчетный блок программы. После нажатия кнопки «Расчет» производится расчет характеристик напряженно- деформированного состояния слоев дорожного покрытия. При этом в нижней части рабочего окна программы выводятся значения, соответствующие: R – растягивающим напряжениям σр, МПа; S – сжимающим напряжениям σс, МПа; l – фактической расчетной величине упругого прогиба lф, мм; mT – максимальным касательным напряжениям τ, МПа; mS – нормальным напряжениям σ, МПа; St – температурным напряжениям σt, МПа. Расчетные характеристики асфальтобетонов конструктивных слоев покрытия представлены в таблице 2.6. Для проведения расче- тов на прочность используется среднеарифметическое значение между пороговыми значениями расчетных характеристик из этой таблицы. При невыполнении условия прочности может использо- ваться любое значение из требуемого интервала. В этом случае данное значение указывается как контролируемое при подборе со- става (например, «не более» или «не менее»). Заложенные в проект расчетные характеристики контролируются на стадии подбора со- става смеси по внутреннему сцеплению при температуре 50 °С. Так, если в проекте заложено максимальное значение модуля упругости для асфальтобетона № 1.2 при температуре 0 °С 2475 МПа, то кон- тролируемой характеристикой будет внутреннее сцепление при температуре 50 °С, равное не менее 0,55 МПа. При невыполнении критериев прочности рекомендуется: 1. По первому и второму критериям для верхнего слоя покрытия – увеличить толщину и/или жесткость нижележащих слоев либо увеличить внутреннее сцепление самого слоя в соответствии с до- пускаемым интервалом по таблице 2.6. 2. По первому и второму критериям для нижнего несущего и нижнего слоев покрытия – увеличить толщину вышележащих слоев либо увеличить внутреннее сцепление и/или жесткость самого слоя в соответствии с допускаемым интервалом по таблице 2.6. 67 3. По третьему критерию – увеличить толщину слоев, подстила- ющих данный слой, либо толщину рассматриваемого слоя. 4. По четвертому критерию – увеличить общую толщину слоев трехслойного покрытия, начиная со слоя с минимальной стоимо- стью асфальтобетона. 5. По пятому критерию – уменьшить модуль асфальтобетона рассматриваемого слоя и/или увеличить жесткость нижележащего слоя в интервалах, приведенных в таблице 2.6. Таблица 2.6 – Расчетные характеристики асфальтобетонов конструктивных слоев покрытия Наименование показателя Номер материала по пункту 2.2 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 Внутреннее сцепление при температуре 50 °С, МПа 0,34– 0,42 0,45– 0,55 0,36– 0,44 0,50– 0,61 0,32– 0,39 0,77– 0,94 0,41– 0,50 Внутреннее сцепление при температуре 0 °С, МПа 1,71– 2,10 2,25– 2,75 1,80– 2,20 2,48– 3,03 1,58– 1,93 4,68– 3,83 2,02– 2,48 Тангенс угла внутреннего трения 0,85 0,85 0,90 0,90 0,90 0,70 0,70 Модуль упругости при температуре 50 °С, МПа 540– 660 720– 880 765– 935 1080– 1320 675– 825 1125– 1375 585– 715 Модуль упругости при температуре 10 °С, МПа 1215– 1485 1575– 1925 1710– 2090 2385– 2915 1485– 1815 3375– 4125 1755– 2145 Модуль упругости при температуре 0 °С, МПа 1530– 1870 2025– 2475 2160– 2640 3015– 3685 1890– 2310 5265– 6435 2745– 3355 Модуль упругости при температуре –20 °С, МПа 2700– 3300 3600– 4400 3825– 4675 5400– 6600 3375– 4125 5625– 6875 2925– 3575 Коэффициент температурного расширения, 1/оС · 10–5 3,10 3,10 3,10 3,10 3,10 3,70 3,70 Предельная структурная прочность, МПа 5,85– 7,15 6,75– 8,25 6,30– 7,70 7,20– 8,80 5,85– 7,15 6,30– 7,70 4,95– 6,05 68 3 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ ПО ТОЛЩИНЕ В КУРСОВОМ ПРОЕКТЕ Исходные данные: 1. Расчетный срок службы – 20 лет. 2. Интенсивность движения (для номера марки автомобиля по таблице 2.3): № марки 1 2 3.1 3.2 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 Интенсивность 7355 145 25 18 15 22 14 12 22 7 23 11 № марки 4.5 4.6 4.7 4.8 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6.1 6.2 Интенсивность 28 28 10 9 14 10 13 10 16 5 16 12 3. Число полос движения – 4. 4. Прирост интенсивности – 3 %. 5. Эквивалентный модуль основания, полученный расчетом в соот- ветствии с действующими нормативными документами, – 150 МПа. Расчет дорожного покрытия На основании данных таблицы 2.3 и исходных данных по фор- муле 2.7 рассчитывается приведенная интенсивность движения Np = 0,35 (7355 0,012 + 145 0,02 + 25 0,26 + 18 0,47 + 15 1,27 + 22 1,64 + 14 2,12 + 12 3,68 + 22 2,31 + 7 3,42 + 23 2,83 + 11 4,56 + 28 5,52 + 28 2,29 + 10 3,71 + 9 5,15 + 14 3,10 + 10 2,67 + 13 3,21 + 10 5,63 + 16 3,10 + 5 5,13 + 16 1,50 + 12 2,07) = 357 осей/сут. Следовательно, для проектирования конструкции может быть применена методика расчета дорожных одежд с градиентом физи- ческой и температурной жесткости. Для расчетного срока службы 20 лет и эквивалентного модуля основания 150 МПа в соответствии с таблицей 2.5 назначается кон- струкция № 3.1 с минимальной толщиной слоев: верхний слой покрытия – 4 см; нижний несущий слой покрытия – 8 см; нижний слой покрытия – 8 см. 69 Используя данные зависимости на рисунке 2.3 для срока службы 20 лет и расчетной интенсивности 357 осей/сут определяется уро- вень надежности, который в конкретном случае составляет 0,88. Коэффициент запаса прочности по рисунку 2.4 составит 1,1. Расчет дорожной одежды на сдвигоустойчивость при 50 °С Исходные расчетные характеристики (таблица 2.6): – верхний слой покрытия: ЩМСц-10 на модифицированном би- туме либо с вводом модифицирующих добавок непосредственно в асфальтобетонную смесь – 4 см; расчетный модуль упругости – 800 МПа; внутреннее сцепление – 0,50 МПа; тангенс угла внутрен- него трения – 0,85; – нижний несущий слой покрытия: ЩМСц-20 на битуме БНД 60/90 – 8 см; расчетный модуль упругости – 850 МПа; внут- реннее сцепление – 0,40 МПа; тангенс угла внутреннего трения – 0,90; – нижний слой покрытия: песчаный асфальтобетон на битуме БНД 90/130 – 8 см; расчетный модуль упругости – 650 МПа; внутрен- нее сцепление – 0,45 МПа; тангенс угла внутреннего трения – 0,70. 1. Коэффициент запаса прочности из условия сдвигоустойчиво- сти по нормальным напряжениям при температуре 50 °С. Максимальные нормальные напряжения, определенные с исполь- зованием программы «Nomoread», составляют: – верхний слой покрытия – 0,954 МПа; – нижний несущий слой покрытия – 0,487 МПа; – нижний слой покрытия – 0,248 МПа. Тогда коэффициент запаса прочности составляет (формула 2.8): – верхний слой покрытия: 2 2 з 3 0,50 0,85 2 2 2 0,85 0,85 1,16 0,954 K – нижний несущий слой покрытия: 2 2 з 3 0,40 0,90 2 2 2 0,90 0,90 2,24 0,487 K 70 – нижний слой покрытия: 2 2 з 3 0,45 0,70 2 2 2 0,70 0,70 2,16 0,248 K Требуемое значение коэффициента запаса прочности составляет для исходных данных 1,1. Таким образом, конструкция соответствует требованиям по указанному критерию прочности. 2. Коэффициент запаса прочности из условия сдвигоустойчиво- сти по касательным напряжениям при температуре 50 °С. Касательные и нормальные напряжения, определенные с исполь- зованием программы «Nomoread», составляют: – верхний слой покрытия: касательные напряжения – 0,165 МПа; нормальные напряжения – 0,163 МПа; – нижний несущий слой покрытия: касательные напряжения – 0,136 МПа; нормальные напряжения – 0,02 МПа; – нижний слой покрытия: касательные напряжения – 0,286 МПа; нормальные напряжения – 0,001 МПа. Тогда коэффициент запаса прочности составляет (формула 2.9): – верхний слой покрытия: з 0,50 18,90 0,165 0,163 0,85 K – нижний несущий слой покрытия: з 0,40 3,39 0,136 0,02 0,90 K – нижний слой покрытия: з 0,45 1,58 0,286 0,001 0,70 K Таким образом, конструкция соответствует требованиям по ука- занному критерию прочности. Расчет дорожной одежды на усталостную трещиностойкость при температуре 0 °С Исходные расчетные характеристики (таблица 2.6): – верхний слой покрытия: ЩМСц-10 на модифицированном би- туме либо с вводом модифицирующих добавок непосредственно в 71 асфальтобетонную смесь – 4 см; расчетный модуль упругости – 2250 МПа; внутреннее сцепление – 2,50 МПа; тангенс угла внут- реннего трения – 0,85; – нижний несущий слой покрытия: ЩМСц-20 на битуме БНД 60/90 – 8 см; расчетный модуль упругости – 2400 МПа; внутрен- нее сцепление – 2,00 МПа; тангенс угла внутреннего трения – 0,90; – нижний слой покрытия: песчаный асфальтобетон на битуме БНД 90/130 – 8 см; расчетный модуль упругости – 3250 МПа; внут- реннее сцепление – 2,25 МПа; тангенс угла внутреннего трения – 0,70. 1. Коэффициент запаса прочности из условия усталостной трещи- ностойкости по растягивающим напряжениям при температуре 0 °С. Растягивающие напряжения, определенные с использованием программы «Nomoread», составляют: – верхний слой покрытия – 0,165 МПа; – нижний несущий слой покрытия – 0,274 МПа; – нижний слой покрытия – 0,852 МПа. Тогда коэффициент запаса прочности составляет (формула 2.10): – верхний слой покрытия: 2 2 з 3 2,50 0,85 2 2 2 0,85 0,85 9,90 0,165 K – нижний несущий слой покрытия: 2 2 з 3 2,00 0,90 2 2 2 0,90 0,90 5,30 0,274 K – нижний слой покрытия: 2 2 з 3 2,25 0,70 2 2 2 0,70 0,70 1,20 0,852 K Таким образом, конструкция соответствует требованиям по ука- занному критерию прочности. 72 Расчет дорожной одежды на упругий прогиб при температуре 10 °С Исходные расчетные характеристики (таблица 2.6): – верхний слой покрытия: ЩМСц-10 на модифицированном би- туме либо с вводом модифицирующих добавок непосредственно в асфальтобетонную смесь – 4 см; расчетный модуль упругости – 1750 МПа; – нижний несущий слой покрытия: ЩМСц-20 на битуме БНД 60/90 – 8 см; расчетный модуль упругости – 1900 МПа; – нижний слой покрытия: песчаный асфальтобетон на битуме БНД 90/130 – 8 см; расчетный модуль упругости – 1950 МПа; 1. Коэффициент запаса прочности по упругому прогибу при тем- пературе 10 °С. Расчетное значение упругого прогиба конструкции, определен- ное с использованием программы «Nomoread», составляет 0,224 мм. Тогда коэффициент запаса прочности составляет (формулы 2.11, 2.12): 20 p 1,03 1 130 (357 0,45) 561174 1,03 1 N 2 2 з (1 0,35 )65 0,4р 0,4(5,2 65 5,5(lg 561174) 95) 1,19 0,224 K Таким образом, конструкция соответствует требованиям по ука- занному критерию прочности. Расчет дорожной одежды на температурную трещиностойкость при температуре –20 °С Исходные расчетные характеристики (таблица 2.6): – верхний слой покрытия: ЩМСц-10 на модифицированном битуме либо с вводом модифицирующих добавок непосредственно в асфальто- бетонную смесь – 4 см; расчетный модуль упругости – 4000 МПа; ко- эффициент температурного расширения – 3,10 · 10–5 1/°С; предельная структурная прочность – 7,50 МПа; 73 – нижний несущий слой покрытия: ЩМСц-20 на битуме БНД 60/90 – 8 см; расчетный модуль упругости – 4250 МПа; коэф- фициент температурного расширения – 3,10 · 10–5 1/°С; предельная структурная прочность – 7,00 МПа; – нижний слой покрытия: песчаный асфальтобетон на битуме БНД 90/130 – 8 см; расчетный модуль упругости – 3250 МПа; коэф- фициент температурного расширения – 3,70 · 10–5 1/°С; предельная структурная прочность – 5,50 МПа. 1. Проверка критерия прочности по температурной трещино- стойкости. Температурные напряжения, определенные с использованием программы «Nomoread», составляют: – верхний слой покрытия – 2,4 МПа; – нижний несущий слой покрытия – 2,2 МПа. Тогда требуемое значение предельной структурной прочности составляет (формула 2.14): – верхний слой: тр 0,16c (27 20) 2,4 6,57R МПа; – нижний несущий слой: тр 0,16c (27 20) 2,2 6,02R МПа. Таким образом, конструкция соответствует требованиям по ука- занному критерию прочности. Следовательно, предложенная конструкция дорожной одежды принимается окончательно. В случае невыполнения какого-либо из условий увеличивают толщины слоев либо применяют другие материалы. 74 ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ РЕФЕРАТОВ 1. Основные определения и классификация дорожной одежды. 2. Материалы для устройства слоев дорожной одежды. 3. Физико-механические свойства материалов дорожной одежды. 4. Физико-механические свойства дискретных материалов. 5. Физико-механические свойства монолитных материалов. 6. Расчетные характеристики материалов слоев дорожной одежды. 7. Влияние погодно-климатических факторов на надежность и долговечность дорожной одежды. 8. Виды деформаций и разрушений дорожной одежды. Причины их появления. 9. Влияние транспортной нагрузки на работу дорожной одежды. Понятие расчетной нагрузки. Методика приведения реальных авто- мобилей к расчетному. 10. Взаимосвязь прочности и надежности дорожных конструкций. 11. Понятие об эквивалентных слоях. Методика выбора матери- алов конструктивных слоев дорожной одежды. 12. Основные принципы конструирования нежестких дорожных одежд. 13. Расчет дорожной одежды на прочность при действии транс- портной нагрузки и погодно-климатических факторов. 14. Критерии обеспечения прочности и надежности дорожной одежды при совместном действии транспортной нагрузки и погод- но-климатических факторов. 15. Частные критерии прочности, относящиеся к отдельным конструктивным слоям или земляному полотну. 16. Расчет нежестких дорожных одежд на прочность по крите- рию упругого прогиба. 17. Критерии прочности дорожной одежды по упругому прогибу. 18. Методика расчета и оптимизации конструкций дорожных одежд по критерию упругого прогиба. Основные типы задач. 19. Расчет дорожной одежды на устойчивость к пластическим деформациям (расчет на сдвигоустойчивость). 20. Расчетная схема и условия сдвигоустойчивости. 21. Методика расчета на сдвигоустойчивость верхних слоев по- крытия. 75 22. Расчет на сдвигоустойчивость нижних слоев покрытия и сло- ев основания. 23. Расчет устойчивости монолитных конструктивных слоев на действие транспортных нагрузок и погодно-климатических факторов. 24. Расчетная схема и критерии устойчивости материалов моно- литных слоев к действию транспортных нагрузок и природно- климатический факторов. 25. Методика проверки на прочность монолитных слоев загород- ных дорог. 26. Методика проверки на прочность монолитных слоев город- ских улиц и дорог. 27. Обеспечение деформационной устойчивости материала дорожного покрытия. 28. Расчет нежестких дорожных одежд на морозоустойчивость. 29. Осушение дорожной одежды. Проектирование дренирующе- го слоя. 30. Методология конструирования и расчета нежесткой дорожной одежды. 31. Основные принципы конструирования жестких дорожных одежд. 32. Расчет жестких дорожных одежд при температурных воздей- ствиях. 33. Расчет жестких дорожных одежд при действии транспортной нагрузки. 34. Методология конструирования и расчета жестких дорожных одежд. 35. Зарубежные методы расчета нежестких дорожных одежд. 36. Конструирование и расчет комбинированных дорожных одежд. Примечание. Объем реферата должен составлять 15–25 страниц. 76 ЛИТЕРАТУРА 1. Segregation : Causes and Cures for Hot Mix Asphalt / American Association of State Highway and Transportation Officials. – Washing- ton, 1997. 2. Baker, M. J. Identification and Assessment of Washington State Pave- ments with Superior and Inferior Performance, Report No. WA-RD 437.1 / M. J. Baker, J. P. Mahoney. – Olympia : Washington State Department of Transportation, 2000. 3. Brown, E. R. Experience with Stone Mastic Asphalt in the United States, Report No. 93-4, National Center for Asphalt Technology, Au- burn University, Alabama, 1993 4. Splittmastixasphalt / dr. ing. K. H. Kolb [und andere]. – Leitfaden : Deutscher Asphaltverband, 1996. – 27 р. 5. ZTV Asphalt-StB 01 : Zusätzliche Technische Vertragbedinun- gungen und Richtlinen für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt. – 2001. – 46 s. 6. Строительство дорожных и аэродромных покрытий из щебе- ночно-мастичных асфальтобетонных смесей : обзорная информ. / Информавтодор. – Вып. 2. – М., 2003. – 96 с. – (Автомобильные до- роги и мосты). 7. Финские нормы на асфальт 2000 / Совещательная комиссия по покрытиям PANK ry. – Хельсинки, 2000. – 56 с. 8. Brawn, E. R. Performance of Stone Matrix Asphalt (SMA) mix- tures in the United States / National Center for Asphalt Technology ; E. R. Brawn, J. E. Haddock, R. B. Mallick. – 1997. – 53 р. 9. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфаль- тобетон. Технические условия : СТБ 1033-2004 : издание офи- циальное. – Взамен СТБ 1033–96. – Минск : Министерство строи- тельства и архитектуры Республики Беларусь, 2004. – 24 с. 10. Кирюхин, Г. Н. Научно-техническая направленность лаборатории асфальтобетона и черных материалов / Г. Н. Кирюхин, И. А. Плотнико- ва, М. Б. Сокальская // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2001. – № 3. – С. 9–12. 11. Emploi des liants bitumineux modifies, des bitumes speciaux et des bitumes avec additifs en techniques routieres // Rapport provisoire Seminaire international «Bitumes modifies», Rome. – 1998. – 72 р. 77 12. Ковалев, Я. Н. Активационно-технологическая механика до- рожного асфальтобетона / Я. Н. Ковалев. – Минск : Вышэйшая школа, 1990. – 180 с. 13. Laboratoire Central de Ponts et Chasses and Service D’Etudes Techniques des Route et Antoroutes (1992) Realisation des Remblais et des Couches de Forme, Ministere de l’Equipment du Logement des Transports, Paris, France. 14. Lecsh, D. Deterioration Mechanisms in Flexible Pavements / D. Lecsh, М. Е. Nunn // 2nd European Conference on the Durability and Performance of Bituminous Materials, University of Leeds, Leeds, UK. – 1997. 15. Transportation Research. Circular. Perpetual Bitumen Pavements, № 503, December 2001 // Development and Uses of Hard-Grade Asphalt and of High-Modulus Asphalt Mixes in France, Jean-François Corté, Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (France). – Р. 12–31. Учебное издание ВЕРЕНЬКО Владимир Адольфович КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ Пособие по выполнению курсового проекта № 3 «Проект дорожной одежды нежесткого типа (деталь проекта)» для студентов специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги» Редактор В. О. Кутас Компьютерная верстка А. Г. Занкевич Подписано в печать 26.06.2012. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 4,53. Уч.-изд. л. 3,54. Тираж 100. Заказ 1053. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.