Износ дорожных покрытий и его влияние на срок службы дорожных одежд, определение величины износа. Причины износа дорожного полотна

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта l 1 , меньше, чем вне его l . Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость а в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А - зона сжатия, Б - зона растяжения

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50-80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40-50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия h ср , мм, составляет:

h ср = k ×h н , мм, где (6.1)

k - коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6-0,7;

h н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м 3 /км.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий . Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые - 0-2 мм; твёрдые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

Определение износа покрытий расчётом . Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):

h = a + b ×B (6.2)

h - годовой износ покрытия, мм;

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;

В - грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N » 0,001×В (N - интенсивность движения, авт./сут).

Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

где (6.3)

h T - износ покрытия за Т лет, мм;

N 1 - интенсивность движения в исходном году, авт./сут;

К = 1,05-1,07 - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;

q 1 - показатель ежегодного роста интенсивности движения, q 1 > 1,0.

Значения параметров а и b приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), - нижние пределы значений а и b . 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы а и b . 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.

В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.

В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.

Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1-2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.

Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа Н и : для асфальтобетонных покрытий 10-20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими - 30-40 мм; щебёночных из прочного щебня - 40-50 мм, гравийных - 50-60 мм.

Исходя из этого дорожно-эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.

h n = h np + Н и , мм, где (6.5)

h np - расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.

Измерение износа . Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах.

Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.

ГЛАВА 7. Закономерности изменения основных транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог

Опыт скандинавских стран

Износ асфальтобетонных покрытий шипованной резиной

Данная статья ставит своей целью облегчить и ускорить адаптацию к российским условиям зарубежного, в первую очередь, скандинавского опыта проектирования, строительства, содержания и эксплуатации автомобильных дорог – с учетом износа дорожных покрытий шипованной резиной.

Проблема колейности – одна из самых злободневных, наряду с другими дорожными «болезнями», имеющими более солидный возраст. Она особенно актуальна для проектировщиков, строителей, эксплуатационников и владельцев тех автомобильных дорог, которые отличаются высокой интенсивностью движения и/или расположенных в I и II дорожно-климатических зонах и в высокогорных районах.

Обобщение результатов исследований, выполненных в зарубежных странах с холодным климатом, а также обследования эксплуатационно-технического состояния покрытий автомобильных дорог в Санкт-Петербурге показали, что существенной причиной образования колейности на нежестких дорожных одеждах является износ шипованной резиной. Шипованные автопокрышки, применяемые в холодное (и не только) время года, по своему воздействию напоминают дорожную фрезу, только с меньшим эффектом.

Годовой износ верхнего слоя асфальтобетонного покрытия на дорогах с разным уровнем интенсивности движения колеблется в довольно широких пределах – от 5 до 10 и более мм.

К сожалению, действующими в РФ нормативными документами износ дорожных покрытий шипованной резиной практически не учитывается, отсутствуют методики прогнозирования данного износа, а также требования к износостойкости покрытий автомобильных дорог разных технических категорий.

При этом в скандинавских странах (особенно в Финляндии и Швеции), северных штатах США, Канаде и других странах проведен огромный объем научных исследований по данной проблеме, разработаны методики оценки величины износа и предложены методы снижения колееобразования.

Актуальность и статистика

Согласно исследованиям Unhola (1997 г.), в Финляндии легковым автомобилем с четырьмя шипованными шинами при скорости движения 100 км/ ч, при 100 км пробега в 1960 х годах изнашивалось 11 кг материала покрытия, в 1990 х – только 2,5 кг. Исследования Lampinen (1993 г.) показали, что колейность удалось снизить путем внедрения эффективной системы управления состоянием дорожной одежды (Pavement Management System), а также за счет регламентации требований к шипованным шинам, снижения скорости движения в зимний период и применения высококачественных каменных заполнителей асфальтобетона.

Износ покрытий в Швеции в 1975 г. составлял 100 г/ машино-км, а в 1995 г – только 20 г/ машино-км (Jacobson, 1997 г.). Исследованиям Gustafson (1997 г.), показали, что за зимний период 1988-1989 г.г. дорожные покрытия в Швеции «потеряли» 450000 тонн материала. Это обошлось шведам около $35 млн. Öberg (1997 г.) сообщает те же цифры, отмечая, что дополнительные затраты на ликвидацию износа дорожной разметки и очистку дорожных знаков от загрязнения снизились с $4-8 млн. до $2-4 млн.

Jacobson и Hornwall в 1999 г. пришли к выводу, что 60-90 % колейности на дорогах интенсивным движением создает именно шипованная резина.

Испытания на стенде-имитаторе ДД, проведенные шведским Дорожно-транспортным институтом (VTI), показали, что шины с легкими шипами (1,0 г) создают вдвое меньший износ, чем шины с более тяжелыми стальными шипами (1,8 г), (Jacobson and Wågberg, 1998 г.). Даже при возросшем использовании шипованной резины, износ покрытий значительно уменьшился (Jacobson и Hornwall, 1999 г.). Сейчас шведским правительством принято решение об обязательности использования шипованной резины в условиях зимней скользкости (Öberg, 2002 г.).

Cогласно исследованиям Løberg (1997 г.), на норвежских автомобильных дорогах с твердым покрытием протяженностью 63000 км шипованной резиной ежегодно изнашивается 300000 тонн материала.

В последние годы во всех скандинавских странах наблюдается устойчивая тенденция к снижению износа покрытий шипованной резиной. Факторы, способствующие этому, подробнее рассматриваются ниже.

Нормативное регулирование применения шипованной резины в скандинавских странах

Шипованную резину в зимний период разрешено применять (с некоторыми сезонными ограничениями) в Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции. В Дании и Швеции периоды разрешенного использования шипованных шин одинаковы (с 1 октября до конца апреля). В Финляндии и Норвегии – с 1 ноября до первого понедельника после Пасхи (исключение – Северная Норвегия где этот период несколько продлен). В Финляндии и Швеции регламентируется количество устанавливаемых на одной шине шипов, выступ шипа и его вес. В Норвегии эти требования несколько снижены. В таблице 1 приведена сводка нормативов, действующих в скандинавских странах («Оrdic Regulations», 2003 г.)

Таб. 1. Сводка скандинавских нормативов на шипованные шины

В Финляндии шипованная резина применяется с 1960 х годов, и в зимний период она устанавливается примерно на 95% пассажирских автомобилей. Антигололедная обработка дорожных покрытий в Финляндии производится дорожной солью. Совместное применение соли и шипованной резины вызывает ряд негативных последствий для окружающей природы. В начале 1990 х годов финское правительство провело серию экспериментальных работ для выяснения возможности относительного уменьшения количества автомобилей с шипованной резиной и снижения расхода соли (или обоих мероприятий в разных комбинациях). Исследования показали, что с учетом социально-экономических затрат, связанных с повышением риска дорожно-транспортных происшествий, оптимальным является использование шипованной резины и расхода соли на существующем в настоящее время уровне.

Если в Финляндии шипованные шины применяют массово, то в Норвегии за последние годы попытались ограничить это применение, особенно в городских поселениях, где дороги освобождаются от снежного покрова почти в течение всей зимы. Установлено, что шипованная резина создает в городах до 17 % пылевого загрязнения воздуха (Krokeborg, 1998 г.). В Осло, чтобы снизить применение шипованной резины на 20%, в 1999 г. издано постановление о взимании на нее налога в сумме $160. Норвежские власти активно пропагандируют применять нешипованную зимнюю резину и цепи противоскольжения (Fridstrom, “Winter Tires and Chains”, 1998 г.).

Некоторые исследователи сообщают о неудачной попытке снизить применение шипованных шин в Швеции (“Studded Tires”, 2001 г.). Предложенные ограничения не дали результата, и в последние годы применение шипованной резины несколько возросло.

Альтернативы шипованной резине

Основными альтернативами шипам являются традиционные способы зимнего содержания автомобильных дорог. К ним относятся россыпь по обледеневшему покрытию песка (фрикционный способ), профилактическая обработка покрытий до образования ледяного слоя или же плавление ледяного или снежно-ледяного слоя, если он уже образовался, дорожной солью (химические способы). Все это негативно влияет на окружающую среду и здоровье людей.

Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации дорог в зимний период показывает, что введение запрета на шипованную резину, даже при применении традиционных способов зимнего содержания, приводит к росту количества ДТП.

Фрикционный способ является основной альтернативой шипованным шинам. Однако повышенный расход песка приводит к увеличению пыли на дорогах. Изучение респираторных заболеваний, вызванных образованием дорожной пыли, показало, что увеличение расхода песка не дает преимуществ по сравнению с применением шипованных шин. Кроме того, следует учитывать затраты на распределение песка и его удаление.

Финские власти достигли ряда успехов в снижении общего количества пыли, образующейся из фрикционного песка. С этой целью выдвинуты требования к качеству песчаных материалов и применяется технология распределения влажного песка (Valtonen, 2002 г.). Установлено что вред пыли может быть снижен путем применением песка из темного каменного материала с пониженным содержанием кварца, который меньше крошится на дороге.

Дальнейшее изучение, выполненное Tervahuttu (2004 г.), показало, что фрикционный песок, распределенный на проезжую часть, выкрашивает из асфальтобетонного покрытия значительное количество материала, приводя к износу дорожного покрытия (эффект наждачной шкурки), и этот износ может быть очень большим. Данная проблема в настоящее время исследуется в Финляндии.

Что касается применения дорожной соли или ее комбинации с песком (пескосоляной смеси), то в Финляндии в качестве антигололедного материала обычно применяется хлорид натрия (NaCl). Финские власти установили, что на дорогах с высокой интенсивностью движения снижение расхода соли увеличивает количество ДТП на 5-20%. На дорогах с низкой интенсивностью движения вместо соли применяется песок.

Применение соли создает ряд экологических проблем: загрязнение источников питьевой воды, токсическое воздействие на флору и фауну и др. Кроме того, соль вызывает коррозию автомобилей, стальных и бетонных конструкций. Одним из исследований установлено, что ущерб от применения соли в 15 раз превышает затраты на ее приобретение и распределение

Исследования износа дорожной одежды

Финляндия

В 1982 – 1988 гг. Lampinen изучал данные по температуре и атмосферным осадкам и измерял глубину колеи на финских автомобильных дорогах общей протяженностью от 8000 до 10000 км. Исследуя факторы, влияющие на образование колеи, он определил их относительную значимость. Также выяснено, что основной объем колеи (70-80%) образуется вследствие износа шипованной резиной. Пластические деформации материалов дорожной одежды при движении тяжелых автомобилей создают 10-20% объема колеи. Обычно одна большегрузная машина образует такую же колею как 3 – 5 легковых автомобиля с шипованными шинами. В Финляндии с декабря по февраль шипованной резиной оборудуется 85-90% легковых автомобилей и менее 50% тяжелых автомобилей. Исходя из этих данных, Lampinen пришел к выводу о возможности частичного снижения колейности путем регламентации требований к шипованным шинам и ограничения сезона их разрешенного применения.

В период с 1982 по 1988 г.г. колейность на финских автомобильных дорогах равномерно снижалась. Так, в 1982 г. средняя глубина колеи составляла 9,5 мм, а в 1988 г. только 5,9 мм. Снижение обусловлено увеличением объемов перекладки верхнего слоя покрытий, а также внедрением эффективной системы управления состоянием дорожной одежды (PMS). Согласно требованиям PMS, участки дорог с наиболее глубокой колеей должны своевременно перекрываться новым верхним слоем покрытия. Результаты измерений показали, что среднегодовой прирост колейности (увеличение площади поперечного сечения) составил около 487 мм 2 на 1000 автомобилей ССИД. Среднегодовое увеличение глубины колеи составило около 0,36 мм на 1000 автомобилей ССИД. Один легковой автомобиль изнашивает за 1 км пробега около 24 г материала покрытия, а износ одним шипом – 100 микрограмм. Ежегодные издержки оцениваются суммой $35 млн.

Установлено, что на образование колеи сильно влияет тип шипа (Lampinen, 1993 г.). Износ является следствием удара шипа и соскабливания материала при выходе шипа из контакта с покрытием (напоминает работу дорожной фрезы). Энергия удара зависит от массы шипа и вертикальной скорости. Вертикальная скорость составляет 10 – 15 % скорости автомобиля и зависит от типа шины и размера выступа шипа над поверхностью протектора. Сила удара зависит от размера выступа шипа и его конструкции. На абразивный эффект также влияют скорость и стиль вождения автомобиля, т.е. движение по прямой или кривой, ускорение и торможение.

Дальнейшие исследования Lampinen направлены на уточнение размера выступа и определение силы воздействия шипа. Из рисунка 1.1. видно, что чем легче шип, тем меньше износ. Выявлено, что на износ сильно влияет тип каменного заполнителя (щебня). Влияние скорости движения на износ показано на рис. 1.2. Величина выступа шипа и сила его воздействия влияют на износ меньше, чем тип каменного заполнителя, масса шипа и скорость движения автомобиля (Sistonen and Alkio, 1986 г.).

Unhola продолжил исследования, выполнявшиеся Sistonen и Alkio, применив аналогичную методику испытаний (метод “run – over”). Он подтвердил, что в основном износ покрытия определяется массой шипа и типом каменного заполнителя. Также подтвердилось, что размер выступа и сила воздействия шипа не оказывают заметного влияния на износ. Исследования производились при скорости автомобиля 100 км/ч.

Lampinen отметил, что износостойкость покрытия значительно повышается при увеличении размера крупной фракции щебня и процентного содержания фракции крупнее 8 мм. Удельная площадь минерального заполнителя должна быть по возможности меньше.

Рис. 1.1. Влияние на износ покрытия массы шипа при скорости автомобиля 100 км/ч, Sistonen и Alkio , 1986 г.

Рис. 1.2. Влияние на износ покрытия скорости движения при массе шипа 2,3 г.,

Sistonen и Alkio, 1986 г.

Обобщив данные указанных наблюдений, выполненных при обследовании финских дорог в 1982-1988 г.г., Lampinen исследовал влияние погодных условий на образование колеи. Процесс образования колеи ускоряется (по сравнению с сухой поверхностью) при повышении влажности покрытия и снижении температуры ниже 0 С 0 . Влажность поверхности влияет на образование колеи сильнее, чем низкая температура.

Lampinen считает, что образование колей на покрытиях может быть снижено уменьшением количества ударных воздействий шипов (т.е. уменьшением количества автомобилей с шипованной резиной и уменьшением количества шипов, заделанных в протектор); снижением начальной колейности за счет совершенствования технологии устройства покрытий; совершенствованием конструкции шипов для снижения их абразивных свойств (при сохранении сцепных характеристик) и путем разработки типов покрытий менее чувствительных к образованию колеи.

В итоговом отчете «Проектирование асфальтобетонных покрытий», выполненном группой исследователей совместно с финской национальной нефтяной компанией (Saarela, 1993 г.), констатируется, что наиболее важной характеристикой покрытия, влияющей на износ шипованной резиной, является износостойкость асфальтобетона. К важнейшим факторам, влияющим на износ, отнесены также интенсивность движения автомобилей и влажность поверхности покрытия. В некоторых случаях при проектировании следует учитывать скорость движения автомобилей и холодный климат.

Для определения износостойкости покрытия к воздействию шипованной резины применяются лабораторные испытания методом SRK (“SRK” method). При испытаниях методом SRK три миниатюрные шипованные шины при температуре 5 С 0 в течение двух часов вращаются на поверхности влажного образца асфальтобетона диаметром 100 мм, применяемого при проектировании асфальтобетонной смеси по Маршаллу. Показатель абразивного износа по методу SRK (SRK-value) оценивается по потере объема образца в см 3 (Европейский стандарт, 2000 г.).

Используя показатель SRK, можно определить срок службы покрытия при известной интенсивности движения. Наиболее важным фактором, влияющим на износ покрытия, является качество применяемого каменного заполнителя (рис. 1.3). Например, применение качественного щебня (при прочих одинаковых факторах) может обеспечить срок службы слоя покрытия 5 лет, плохого качества – 2 года.

Не рекомендуется выбирать щебень по его минералогическому составу, поскольку в этом случае, в зависимости от процентного содержания разных минералов, пригодность щебня к применению в покрытии изменяется в широких пределах. Щебень следует выбирать по результатам лабораторных испытаний. Существует несколько методов испытаний щебня, однако основным, используемым в настоящее время в Финляндии методом лабораторных испытаний, является испытание в шаровой мельнице (Ball Mill Test), именуемое в США “Скандинавский метод испытания абразивного износа” (Nordic Abrasion Test), (Alkio, 2001 г.).

Образец каменного заполнителя (щебня) весом 1000 г в течение одного часа вращается со скоростью 90 об./мин. в стандартной мельнице совместно с 7 кг стальных шаров диаметром 15 мм в присутствии примерно 2 л воды. Испытанию подвергается щебень фракции 11,2 – 16 мм. Результат испытания (показатель Ball Mill Value) оценивается по процентному содержанию частиц мельче 2 мм, остающихся по окончании испытания. На рисунке 1.4 показана зависимость между результатами испытаний в шаровой мельнице и результатами испытаний методом SRK.

Установленные Финской Дорожной Администрацией нормативы применения результатов испытаний в шаровой мельнице (Ball Mill Value = Nordic Abrasion Value) приведены в таблицах 2.1. и 2.2 (Alkio, 2001 г.). Каменный заполнитель (щебень) в зависимости от прочности подразделяется на четыре класса. Наиболее прочный щебень рекомендуется применять на дорогах с интенсивностью движения ССИД > 5000 авт./сут. при скорости движения более 60 км/ч и ССИД > 10000 авт./сут. – при скорости движения менее 60 км/ч.

В Финляндии обычно используется и другой метод испытания каменного заполнителя (Saarela, 1993 г.). Доводится до разрушения керн из скальной породы, размещенный между двумя пирамидальными (угол 60 0 , радиус 5 мм) головками. Головки изготовлены из стали с твердостью по Виккерсу более 1200. Индекс прочности при точечной нагрузке вычисляется из уравнения 1.1.

Натурные испытания показали, что величина колейности коррелируется с величиной этого индекса. Проведение данного испытания входит в состав финских требований к асфальтобетонным покрытиям (Finnish Asphalt Pavement Specifications).

PLI = (D/50) 0,45 F/D Уравнение 1.1

где: PLI = индекс прочности при точечной нагрузке, МПа;

В = диаметр керна;

F = разрушающая сила, N.

Рис. 1.3. Относительная важность факторов, влияющих на износ покрытия шипованными шинами, Saarela , 1993 г.

Рис. 1.4. Зависимость между результатами испытаний в шаровой мельнице и результатами испытаний SRK методом, Saarela , 1993 г.

Таблица 2.1. Классификация качества каменного заполнителя (щебня), Alkio , 2001 г.

Таблица 2.2. Выбор качества минерального заполнителя (щебня), Alkio , 2001 г.

Следующим по важности после качества минерального заполнителя фактором, влияющим на износ покрытия, является состав асфальтобетонной смеси. Результаты полевых испытаний показали, что покрытие из плотного мелкозернистого асфальтобетона с максимальной крупностью щебня 20 мм (АВ20) изнашивается на 10% быстрее, чем покрытие из ЩМА с крупностью щебня 16 мм (SMA16). По этой причине на дорогах с большой интенсивностью движения Министерство автомобильных дорог Финляндии (FINRA) рекомендует использовать ЩМА. Характеристики состава смесей АВ16 и SMA16 согласно Финским Нормам на Асфальтобетон 2000 (Finnish Asphalt Specifications, 2000 г.) приведены в таб. 3 и на рис. 1.5. На рис. 1.6 приведена зависимость между процентным содержанием в щебне частиц крупнее 8 мм и показателем абразивного износа (SRK-value), определенного методом SRK. Чем крупней щебень, применяемый в асфальтобетонной смеси, тем меньше износ.

Таблица 3. Характеристики состава смесей АВ16 и SMA 16 (Финские Нормы на Асфальтобетон, 2000 г.)

Рис. 1.5. Зерновой состав АВ20 и SMA 16 (Финские Нормы на Асфальтобетон, 1995 г.)

Битумное вяжущее не оказывает значительного влияния на износ. Применение более вязкого битума несколько увеличивает износостойкость. На величину износа непосредственно не влияет введение добавок в битумное вяжущее. Добавки обычно применяются для улучшения иных характеристик. Однако в некоторых случаях (когда применяется щебень более крупной фракции, чем в типовой плотной асфальтобетонной смеси)_введение добавок может повысить износостойкость. В качестве добавок могут применяться фибра, природный битум и полимеры. Введение полимерных добавок улучшает износостойкость в экстремально холодные зимы (Saarela, 1993 г.).

Рис. 1.6. Влияние процентного содержания фракции > 8 мм на износ, определенный методом SRK (Saarela , 1993 г.).

Результаты натурных обследований 14-ти опытных автодорог подверг анализу Kurki (1998 г.). Эти опытные дороги включали участки покрытий с разными характеристиками: тип щебня, зерновой состав, битумное вяжущее, адгезионная добавка, минеральный порошок, фибра, гилсонит и природный битум. В начале и конце каждой опытной дороги устраивался контрольный участок. Покрытия на контрольных участках устраивались из плотного асфальтобетона (AB20/IV) с максимальным номинальным размером частиц 20 мм. Применялся щебень из гранодиарита. В качестве битумного вяжущего использовался остаточный битум с пенетрацией 120, полученный при перегонке тяжелой арабской нефти. Поперечный профиль покрытия и глубина колеи измерялись профилометром. Величина износа оценивалась площадью (см 2) или коэффициентом износа.

Результаты испытаний показали, что по сравнению со средним износом за три зимы 1990-91, 91-92 и 92-93 г.г. износ покрытий за зиму 1996-1997 г уменьшился на 20%. Это целиком объясняется переходом на легкие шипы. В 1997 г. резина с легкими шипами устанавливалась на 43% легковых автомобилей, в то время как в 1990 г легкие шипы вообще не использовались. В холодные зимы износ был примерно на 10% меньше, чем в теплые. Во внутренних районах Финляндии, где климат холодней и суше, износ оказался меньше, чем в прибрежных.

Соотношение между площадью износа и глубиной колеи зависит от ширины дороги. Глубину колеи в зависимости от площади износа и ширины дороги можно определить из уравнений 1.2 – 1.5.

Рис. 1.6. Влияние процентного содержания фракции > 8 мм на износ, определенный методом SRK (Saarela, 1993 г.).
Результаты натурных обследований 14-ти опытных автодорог подверг анализу Kurki (1998 г.). Эти опытные дороги включали участки покрытий с разными характеристиками: тип щебня, зерновой состав, битумное вяжущее, адгезионная добавка, минеральный порошок, фибра, гилсонит и природный битум. В начале и конце каждой опытной дороги устраивался контрольный участок. Покрытия на контрольных участках устраивались из плотного асфальтобетона (AB20/IV) с максимальным номинальным размером частиц 20 мм. Применялся щебень из гранодиарита. В качестве битумного вяжущего использовался остаточный битум с пенетрацией 120, полученный при перегонке тяжелой арабской нефти. Поперечный профиль покрытия и глубина колеи измерялись профилометром. Величина износа оценивалась площадью (см2) или коэффициентом износа.
Результаты испытаний показали, что по сравнению со средним износом за три зимы 1990-91, 91-92 и 92-93 г.г. износ покрытий за зиму 1996-1997 г уменьшился на 20%. Это целиком объясняется переходом на легкие шипы. В 1997 г. резина с легкими шипами устанавливалась на 43% легковых автомобилей, в то время как в 1990 г легкие шипы вообще не использовались. В холодные зимы износ был примерно на 10% меньше, чем в теплые. Во внутренних районах Финляндии, где климат холодней и суше, износ оказался меньше, чем в прибрежных.
Соотношение между площадью износа и глубиной колеи зависит от ширины дороги. Глубину колеи в зависимости от площади износа и ширины дороги можно определить из уравнений 1.2 – 1.5.

Глубина колеи (мм) = 0,071 * площадь износа (см2) – 3 ширина <8 м – 1.2
Глубина колеи (мм) = 0,089* площадь износа (см2) – 9 10 м >ширина > 6,5 м – 1.3
Глубина колеи (мм) = 0,077* площадь износа (см2) – 8 ширина > 12 м – 1.4
Глубина колеи (мм) = 0,071* площадь износа (см2) – 3 правая полоса
многополосной дороги – 1.5

Глубина колеи хорошо коррелируется с показателем износа, определенным методом SRK. Из этого следует, что на образование колейности сильно влияет качество каменного заполнителя (Kurki, 1998 г.). Взаимозависимость между глубиной колеи и показателем SRK отражена в уравнении 4.1.6

Глубина колеи (мм) = 3.31 SRK + 8,14 (R = 0,80) – 1.6

На опытных дорогах для конвертирования глубины колеи в показатель SRK было использовано уравнение 1.6. Затем было произведено сравнение результатов испытаний минерального заполнителя с конвертированным показателем SRK. Результаты сравнения подтвердили, что на опытных дорогах показатель испытания в шаровой мельнице (Ball Mill value) и индекс точечной нагрузки (Point Load Index) хорошо коррелировался с величиной износа, в то время как результат испытаний абразивного износа методом Лос-Анджелес – коррелировался хуже (Kurki, 1998 г.).

Битумное вяжущее оказывает на износ покрытия значительно меньшее влияние, чем щебень. Это затрудняет оценку влияния вяжущего на износ. Однако установлено, что применение полимерно-битумного вяжущего повышает износостойкость примерно на 10 %. Минеральный порошок не оказывает влияния на износостойкость. Адгезионные добавки повышают износостойкость при применении некоторых видов щебня. Вопрос применения адгезионных добавок рекомендуется рассматривать как составную часть проектирования (подбора) состава смеси (Kurki, 1998 г.).

Kurki разработал модель прогнозирования показателя SRK в зависимости от свойств материалов. Модель (описывается уравнением 1.7) хорошо коррелируется с результатами измерений на опытных дорогах.

SRK = G * B* (1,15 BM – 1,25 * PLI + 33,01) – 1.7,

где: ВМ – показатель испытания в шаровой мельнице, PLI – индекс точечной нагрузки, G – поправочный коэффициент, учитывающий зерновой состав (уравнение 1.8) и В – поправочный коэффициент, учитывающий битумное вяжущее (В = 0,9 для полимерно-модифицированных вяжущих и 1,0 – для всех остальных).

G = 0,0069 * А + 0,004 *В + 0,496 – 1.8,

где: А = процент прохода через сито 8 мм, В = процент прохода через сито 16 мм.

Влияние на износ интенсивности движения, скорости и климатических условий на опытных дорогах не исследовалось.
Влияние на износ методов зимнего содержания дорог изучила Leppänen (1995 г.). Так, обработка солью ускоряет износ покрытия шипованной резиной, т.к. поверхность обработанного солью покрытия дольше остается влажной, чем необработанного. Поэтому влажное покрытие изнашивается сильнее, чем сухое. Кроме того, предотвращение зимней скользкости путем обработки солью создает проблемы коррозии и негативно влияет на качество грунтовой воды. Затраты $3,5 млн. на программу исследований совместного влияния шипованных шин и соли при зимнем содержании дорог можно считать оправданными, т.к. убытки от ДТП – значительно превышают эту сумму.

Швеция

По данным отчета (Jacobson, 1997 г.) износ покрытий в Швеции в 1975 г. составил 100 г/машино-км, а в 1995 г.– только 20 г/машино-км. Исследования показали, что применение покрытий с более высокой износостойкостью снижает износ на 20 г/машино-км, применение ЩМА – на 20 г/машино-км, внедрение метода испытаний щебня в шаровой мельнице (Ball Mill Test) – на 10 г/машино-км и введение ограничений по максимально допускаемому весу шипов – на 30 г/машино-км. Использование более подходящего щебня позволило снизить общий износ на 38%. Применительно к щебню к факторам, влияющим на износ, относятся процентное содержание крупного щебня и максимальный размер щебенок. К прочим, влияющим на износ покрытий факторам, относятся: степень уплотнения асфальтобетона, интенсивность движения и количество шипов на шине, скорость движения автотранспорта, ширина дороги, влажность поверхности покрытия, тип шипа, размер выступа и сила воздействия шипа. Износ мокрого покрытия значительно превышает износ сухого (в зависимости от типа щебня). Износ покрытия легкими шипами весом 0,7 – 1,0 г вдвое меньше, чем стальными шипами весом 1,8 г. (Jacobson, 1997 г. и Hornwall, 1999 г.).

Gustafson (1997 г.) подтвердил, что в идеальном покрытии асфальтобетон должен включать прочно скрепленный вяжущим износостойкий щебень с наибольшим (по возможности) содержанием крупной фракции. Однако такая фракция должна быть ограничена размером 16 мм, т.к. применение более крупной фракции увеличивает сопротивление качению и повышает шумность. В настоящее время шведской Национальной дорожной администрацией (SNRA) принята концепция применения щебеночно-мастичных смесей из качественного щебня для устройства верхнего слоя покрытия на автомагистралях с высокой интенсивностью движения при скорости движения 90 – 110 км / ч.

В своей статье Gustafson, ссылаясь на работу Jacobson, констатирует, что ежегодный износ покрытий из ЩМА, приготовленного на высококачественном щебне, в настоящее время составляет от 0,2 до 2 мм, в то время, как при применении чуть менее качественного щебня ежегодный износ возрастает до 3 – 4 мм. При большой интенсивности движения износ покрытия шипованной резиной составляет около 50 – 70% общего износа. Gustafson также ссылается на исследования выполненные Carlsson, согласно которым износ покрытий, выполненных из качественного ЩМА, составляет около 6 г/машино-км, а износ покрытий из обычного плотного асфальтобетона на местном щебне 37 г/машино-км. Gustafson констатирует, что в конце 1980 х годов глубокая колея была скорее правилом, чем исключением, а в начале 1990 х стала, в основном, исключением – в результате применения износостойких покрытий, использования менее травматичных шипов и введения правил применения шипованной резины.

Показатель износостойкости покрытий включен в состав действующих в Швеции функциональных требований к дорожной одежде (Safwat and Sterjnberg, 2003 г.).

При лабораторных испытаниях асфальтобетонных смесей применяется метод Пралля (Prall test). Требуемая величина показателя Пралля зависит от уточненной интенсивности движения (ССИД) – таб. 4. Уточнение ССИД производится введением поправочных коэффициентов, учитывающих относительное количество автомобилей с шипованной резиной, скорость движения, поперечное распределение легковых автомобилей (по полосам движения) и методы зимнего содержания.

Таб. 4. Шведские требования к величине показателя Пралля в зависимости от интенсивности движения (Safwat and Sterjnberg , 2003 г.)

При испытании методом Пралля образец цилиндрической формы (рис.1.7.) диаметром 100 ± 1 мм, толщиной 30 ± 1 мм выдерживается при температуре 5 ± 2 С 0 и затем в течение 15 минут обрабатывается отскакивающими от образца стальными шариками (40 шт.) при скорости вращения 950 об / мин. Образец постоянно омывается водой для удаления из испытательной камеры частиц изношенного материала. Показателем Пралля (показателем абразивного износа) является уменьшение объема образца в см 3 . Он определяется из отношения разницы в весе сухого образца до и после испытания к объемной плотности образца (Европейский стандарт 2000).

Рис. 1.7. Цилиндрический образец асфальтобетона после испытания методом Пралля

Jacobson и Hornwall (1999 г.) исследовали влияние шипованных шин на образование колейности на пяти опытных дорогах, имеющих слой износа из ЩМА или пористого асфальтобетона, и на шести контрольных участках – из плотного асфальтобетона или ЩМА. Поперечное сечение колей измерялось лазерным профилометром. Для сплошного обследования поверхностных дефектов применялось оборудование RST (Road Surface Tester) смонтированное на автомобиле. Восьмилетний мониторинг (1990 – 1998 гг.) показал, что износ покрытий шипованной резиной за эти годы значительно снизился. Это снижение Jacobson и Hornwall объясняют устройством более износостойких покрытий, применением высококачественных каменных заполнителей и использованием менее травматичной шипованной резины. Наибольшее влияние на износостойкость покрытий оказывает качество каменного заполнителя. Несколько меньше влияет содержание крупного щебня и применение легких шипов. Тип битумного вяжущего (обычное или ПБВ) не оказывает заметного влияния на износостойкость.

Jacobson and Wågberg (2004 г.) разработали модели прогнозирования колейности, формируемой шипованной резиной. Модели базируются на 10-летней работе, выполненной в 1990 х годах Шведским Национальным Автодорожным НИИ (VTI). Они состоят из трех частей:

• модель для вычисления величины износа в зависимости от количества автомобилей с шипованной резиной;
• модель для вычисления распределения износа поперек полосы движения (профиль износа);
• модель для вычисления ежегодных затрат, базирующаяся на стоимости материалов и сроке службы.

Установлено, что величина износа зависит от величины показателя испытаний в шаровой мельнице, размера максимальной фракции щебня, зернового состава и относительной пористости. Разработано несколько моделей, две из которых представлены уравнениями 1.9. и 2.1.

S d = 2,179 + KV * 0,167 – HALT4 * 0,047 + HM * 0,287 (R 2 = 0,84) – 1.9

S s = 1,547 + KV * 0,143 – MS * 0,087 (R 2 = 0,71) – 2. 1

Sd и Ss = относительный износ плотной асфальтобетонной смеси и ЩМА, соответственно;
KV = показатель испытания в шаровой мельнице;
HALT4 = содержание щебня крупней 4 мм;
HM = относительная пористость по Маршаллу;
MS = максимальная крупность щебня.

При использовании модели для вычисления срока службы покрытия важна информация о распределении величины износа поперек полосы движения (профиля износа) т.к. срок начала работ по текущему ремонту покрытия определяется глубиной колеи (Jacobson and Wågberg, 2004 г.). Разработанные модели распределения износа поперек полосы движения базируются на распределении потока пассажирских автомобилей по полосам движения близкого к нормальному. Стандартное отклонение распределения транспортного потока в поперечном направлении на дорогах с широкими полосами движения и на дорогах с обочинами примерно составляет 0,45 м, на дорогах с узкими полосами движения и многополосных скоростных дорогах и автомагистралях – 0,25 м. На дорогах с очень большой интенсивностью движения стандартное отклонение приближается к 0,20 м.

Комбинация этих двух моделей применена в компьютеризированной версии, используемой для прогнозирования глубины колеи, срока службы и ежегодных затрат. В программу водятся следующие данные:

• Свойства щебня: содержание фракции > 4 мм (%), номинальный размер крупной фракции (мм), показатель испытания в шаровой мельнице для крупной фракции.
• Параметры дороги и движения транспорта.
• Стоимостные данные: щебень, битумное вяжущее, добавки, производство смеси, мобилизация оборудования, транспортировка, укладка смеси, прочие возможные затраты (ед. стоимости / м 2).

Расчет по этим моделям позволяет получить на выходе профиль абразивного износа, срок службы и ежегодные затраты. Модель подтверждена натурными данными, полученными на 16 опытных дорогах зимой 1996-1997 г.г. Опытные дороги разных технических категорий с разной скоростью движения со сроком службы 1- 6 лет, имели слои износа разного типа и качества. Корректность модели подтверждена ее проверкой Jacobson and Wågberg (2004 г.).

Исходные данные для построения моделей обоснованы большой программой лабораторных исследований, выполненных на дорожной моделирующей установке VTI. В отчет по исследованиям включены факторы, перечисленные в таб. 5., и их влияние на износ покрытий. Модели не учитывают долговечность материалов покрытия.

Таблица 5. Факторы, исследованные на дорожной моделирующей установке и их влияние (кроме интенсивности движения, применения шипов, распределения транспортного потока по ширине проезжей части и условий на поверхности (сухая / мокрая или покрытая снегом)

Норвегия

Согласно отчету Løberg (1997 г.), на норвежских дорогах глубина колеи, образующейся в полосах наката, зависит от проекта смеси, качества строительства покрытия, типа автомобилей, скорости движения, климатических условий и параметров покрытия, причем наиважнейшее значение имеет качество щебня. Норвежская дорожная администрация дважды в год измеряет колейность на 63 000 км автодорог. По результатам этих измерений определяется показатель износостойкости каждого участка дороги. В качестве показателя износостойкости принят вес материала покрытия (в граммах), изнашиваемого за 1 км пробега легкового автомобиля с четырьмя шипованными шинами. Эта величина зависит от качества примененного щебня.

Наиболее важной характеристикой норвежцы считают механическую прочность щебеночного заполнителя асфальтобетонной смеси. Для измерения механической прочности они применяют три метода, определяя ударную прочность, абразивный износ и установленный EN показатель износа шипованными шинами (SRK test). Наиболее важной характеристикой они считают показатель абразивного износа. Он определяется количеством кубических сантиметров каменного материала (щебня), изнашиваемого при установленных методикой испытаний условиях. Результаты лабораторных испытаний согласуются с результатами измерений фактически существующей колейности на дорогах. В отчете Løberg (1997 г.) констатируется, что даже при использовании качественного щебня покрытие будет недолговечным при несоблюдении правил производства работ.

Норвежскими правилами содержания дорог предусматривается укладка нового слоя покрытия на участках дорог с глубиной колеи более 25 мм при колейности превышающей 10%. На городских дорогах с разрешенной скоростью движения менее 60 км/ч допускается колея глубиной не более 35 мм.

Методы уменьшения износа покрытий

Исследования показали, что интенсивность износа покрытий определяется рядом факторов, зависящих от параметров движения транспорта, геометрии дороги, характеристик покрытия, внешнего воздействия и качества строительства покрытия. Некоторые из этих факторов влияют на износ больше других. Степень влияния разных факторов зависит от местных условий. Далее подытоживаются эти факторы и их влияние на интенсивность износа, а также даются рекомендации по уменьшению износа покрытий.

Движение транспорта

На образование колейности непосредственно влияют интенсивность движения, скорость движения, процентное количество автомобилей с шипованной резиной. При увеличении этих параметров процесс колееобразования усиливается.

Для снижения износа покрытий без ущерба безопасности движения предлагаются следующие меры:

• Снижение интенсивности движения на автомагистралях (переориентация транспортных потоков, транзит и пр.)
• Регулирование периода разрешенного использования шипованной резины и ограничение количества шипов на шине.
• Ограничение скорости движения в зимний период.

Материалы покрытий

Исследования показали, что к главным факторам, влияющим на интенсивность износа покрытий шипованной резиной, относятся свойства материалов покрытия и тип асфальтобетонной смеси. Установлено, что наиболее важными факторами являются свойства щебня. К главным характеристикам щебня относятся сопротивляемость абразивному износу и содержание крупной фракции. Рекомендуется применять щебень, прошедший лабораторные испытания в шаровой мельнице (Ball Mill test) и асфальтобетон, испытанный по Праллю (Prall test). Чем больше содержание крупного щебня, тем меньше износ. При проектировании асфальтобетонной смеси следует определять адгезию щебня с битумным вяжущим и необходимость введения адгезионных добавок.

Следующим после щебня по важности фактором является состав асфальтобетонной смеси. Исследования показали, что ЩМА имеет большую износостойкость, чем плотные асфальтобетонные смеси. Битумное вяжущее меньше влияет на износ, чем щебень и состав смеси. Степень этого влияния не поддается количественному определению. Установлено, что некоторых случаях использование полимерно-битумного вяжущего несколько снижает износ.

Внешние факторы

С понижением температуры наружного воздуха менее 0 0 С и повышением влажности покрытия интенсивность колееобразования растет. На интенсивность колееобразования влажность покрытия влияет сильней, чем холодная температура. Покрытие, обработанное противогололедными реагентами, дольше остается влажным, чем необработанное. Следует учитывать социально-экономический эффект зимнего содержания дорог.

Наиболее важным внешним фактором снижения износа является ограничение использования шипованных шин теми зимними месяцами, когда покрытия покрыты льдом или снежно-ледяным слоем.

Геометрия дороги

Интенсивность износа возрастает на участках разгона и торможения автотранспорта. К этим участкам относятся кривые, подъемы и спуски, пересечения. На глубину колеи влияет ширина полосы движения. Чем уже полоса движения, тем глубже колея.

Интенсивность колееобразования шипованными шинами можно уменьшить положением кривых, снижением крутизны подъемов и спусков, сокращением длины переходно-скоростных полос, уширением полос движения.

Важным фактором является поперечный профиль покрытия, ускоряющий сток воды, т.к. влажный асфальтобетон изнашивается шипованной резиной более интенсивно. Устройство основания дорожной одежды из несвязных материалов ускоряет сток воды с поверхности.

Строительство

Установлено, что очень важным условием сокращения колееобразования на дорогах является качество строительства. На снижение колееобразования шипованной резиной влияют следующие факторы:

• Спецификация и соблюдение требуемой плотности асфальтобетона.
• Применение подходящего оборудования для производства и укладки соответствующих смесей, например, ЩМА.
• Укладка асфальтобетона на сухую поверхность (без воды и ледяной корки) и при достаточно высокой температуре наружного воздуха.
• Интенсивное выполнение мероприятий по контролю и гарантированию качества.

Опыт скандинавских и других стран свидетельствует о возможности значительного снижения износа покрытий шипованной резиной.

На интенсивность износа верхнего слоя покрытия шипами наибольшее влияние оказывает качество каменного заполнителя асфальтобетона. Предполагается, что из доступных в Северо-Западном регионе каменных материалов, наибольшей стойкостью к воздействию шипованной резины обладает щебень из порфирита. Данное предположение следует подтвердить испытаниями.

В зависимости от прогнозируемой интенсивности движения автотранспорта каменный заполнитель, применяемый на проектируемой / ремонтируемой дороге, должен отвечать требованиям таблиц 2.1, 2.2 – (финский опыт).

На участках дорог с высокой интенсивностью движения не рекомендуется применять в верхнем слое покрытия плотный, мелкозернистый асфальтобетон, рекомендуется применять ШМА-20 (SMA 16 по Финским нормам на асфальт 2011). При подборе состава смеси следует, по возможности, стремиться к наибольшему процентному содержанию частиц крупней 8 мм.

По финскому опыту износостойкость щебня должна периодически контролироваться лабораторными методами: испытание в шаровой мельнице (Ball Mill Test), испытание горной породы точечной нагрузкой (Point Load Test), а также методом Лос-Анджелес (факультативно).

Рекомендуется использовать принятый в ЕС, в частности в Финляндии (Финские нормы на асфальт 2011), функциональный метод проектирования асфальтобетонной смеси. В частности, для верхнего слоя покрытия к функциональным свойствам смеси (ЩМА) верхнего слоя покрытия относятся: износостойкость, сдвигоустойчивость, водостойкость, морозостойкость, старение асфальтобетона.

Следует периодически контролировать лабораторными методами износостойкость асфальтобетона: SRK test (финский опыт) или Prall test (шведский опыт) или EN 16697-16 (европейские нормы).

Также следует включать в проектную документацию функциональные требования к износостойкости верхнего слоя с учетом данных таб. 4 или согласно Финским нормам на асфальт 2011 г.

– регламентировать сезон разрешенного использования шипованной резины. Устанавливать соответствующие дорожные знаки;

– рассмотреть возможность снижения разрешенной скорости движения в зимний период (на автомагистралях до 90 – 100 км/ч);

– pассмотреть целесообразность применения технологий заделки колей без поверхностного фрезерования существующего покрытия. Например, технология Microsurfaсing (заполнение колеи эмульсионно – минеральной смесью модифицированной полимерами) или технология, использованная на мостах в Санкт-Петербурге ЗАО «Лемминкяйнен Дор Строй», (заполнение колеи литым асфальтобетоном с втапливанием порфиритового щебня);

– для прогнозирования износа покрытий шипованной резиной и затрат на устранения колейности рассмотреть целесообразность использования разработанной в Швеции компьютерной программы (Jacobson and Wågberg, 2004 г.).

©А.Г. Спектор , главный специалист ООО «Дорсервис»

При полном или частичном использовании данного аналитического материала ссылка на сайт
ГК «Дорсервис» обязательна!

Износ покрытий и его причины. На износ покрытий наибольшее влия­ние оказывает движущиеся автомо­били. Под нагрузкой шина деформи­руется, в зоне контакта с покрытием сжимается, а вне контакта расши­ряется (рис. 5.8).

рис. 5.8. Схема истирания покрытия шиной: А - зона сжатия; Б - зона растяжения

Путь точки на ши­не в плоскости контакта l 1 меньше, чем вне его l , точка перемещается с ускорением, большим по сравнению с движением до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость α в секторах практически одинаковая. Поэтому точка прохо­дит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напря­жений в плоскости следа истираются покрытие и шины. Наибольшие ка­сательные усилия и наибольший из­нос возникают при торможении автомобиля. Износ от грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше в сравнении с легковыми. Чем больше прочность, тем меньше и равномернее износ покрытия по ширине.

На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины.

Средний износ по всей площади покрытия (мм)

h ср = Kh н, (5.2)

где К - коэффициент неравномерности износа (в среднем К = 0,6 ÷ 0,7); h н – из­нос в полосе наката, мм.

Износ усовершенствованных покрытий измеряют в миллиметрах, а покрытий переходного типа также и по объему потери материала.

Особенности износа шероховатых покрытий. Их износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовании неровностей макрошероховатости.

Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес авто­мобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость пок­рытия уменьшается за счет погруже­ния щебня в нижележащий слой покрытия. Размер этого погружения за­висит от интенсивности и состава движения, крупности щебня и твер­дости покрытия, которую оценива­ют глубиной погружения иглы твер­домера; асфальтобетонные покры­тия могут быть очень твердые – 0-2 мм, твердые – 2-5 мм, нормальные – 5-8 мм, мягкие – 8-12 мм, очень мягкие – 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсо­лютной твердостью.

По данным канд. техн. наук М. В. Немчинова общее уменьшение макрощероховатости может быть описано уравнением

R ср = ae – b м + c , (5.3)

где м – число прошедших автомоби­лей; а , b, с – коэффициенты, зависящие соответственно от размера щебня, твер­дости покрытия и состава транспорт­ного потока.

Определение износа покрытий рас­четом. Среднее значение уменьше­ния толщины покрытий в год вследствие износа можно определить по формуле проф. М. Б. Корсунского

h = a + bB (5.4)

h = a + bN/1000, (5.5)

где а - параметр, зависящий в основ­ном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий; b – показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степе­ни его увлажнения, состава и скорости движения; В- грузонапряженность дви­жения, млн. т брутто в год; N -интен­сивность движения, авт./сут (N ≈ 0,001 В).

Износ покрытия за Т лет с учетом изменения состава и интенсивности потока в перспективе по геометри­ческой прогрессии

(5.6)

где N 1 -интенсивность движения в ис­ходном году, авт./сут; К = 1,05 ÷ 1,07 - коэффициент, учитывающий измене­ния состава потока; q 1 – показатель еже­годного роста интенсивности движения

В последние годы для повышения устойчивости движения автомоби­лей стали применять шины с шипа­ми и цепями. Асфальтобетонные покрытия при эксплуатации с цепя­ми и шипами изнашиваются в 2-3 раза быстрее. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобе­тона на автомобильных магистра­лях ФРГ, где используют шины с шипами, через одну - две зимы обра­зуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм. Поэтому в усло­виях СССР использование шин с шипами и цепями противоскольже­ния на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния покрытия по износу мож­но принять размер допустимого из­носа Я и для покрытий: асфальтобетонных -10-20 мм; щебеночных (гравийных), обработанных органи­ческим вяжущим,-30-40 мм; щебе­ночных из прочного щебня - 40-50 мм; гравийных - 50-60 мм.

Измерение износа. Ежегодный из­нос цементо-, асфальтобетонных и других монолитных покрытий изме­ряют при помощи реперов, заклады­ваемых в толщу покрытия, и износомера . При этом способе измере­ния износа в покрытие предвари­тельно закладывают реперы-ста­канчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчет. Износ определя­ют также с помощью пластин (ма­рок) трапецеидальной формы из из­вестняка или мягкого металла, заде­лываемых в покрытие и истира­ющихся совместно с ним.

Для определения износа покрытий можно использовать различного ро­да электрические приборы для изме­рения толщины слоев в слоистых полупространствах. Например, в ФРГ используют электромагнитный прибор стратотест, основанный на отражении электромагнитных волн. Подобный прибор разработан также в Ленинградском филиале Союздорнии.

Похожая информация.

Износом называется процесс уменьшения толщины слоя покрытия в результате потери материала под истирающим воздействием колес транспортных средств в сочетании с погодными факторами.

Одновременно под износом понимают и собственно величину этого уменьшения, измеряемую в миллиметрах.

Износ дорожных покрытий происходит на всех дорогах без исключения, однако темпы и величина износа зависят от многих факторов.

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 15.5). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта /, меньше, чем вне его 1 Х на 5-10%. Поэтому в плоскости контакта точка шины движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ покрытия при движении гру-

Рис. 15.5. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия: А - зона сжатия; Б - зона растяжения; / 1; / - путь, проходимый точкой на шине вне зоны и в зоне контакта шины с покрытием соответственно; а - угловая скорость; (3 - угол, на который распространяются деформации шины

зовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых.

Большое влияние на процесс износа асфальтобетонного покрытия оказывают неоднородность материала покрытия, из которого в процессе износа происходит истирание и выбивание зерен песка и щебня, отрыв и удаление мелкозернистой фракции (мельче 0,05 мм) вместе с битумом или без него, вымывание или удаление битума при наличии воды или агрессивных растворов и т.д.

Чем прочнее материал покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60%. Увеличение содержания битума с 5 до 7% снижает износ на 50-80%.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 50 мм и более. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что приводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средний износ по всей площади покрытия /г ср, мм:

где к - коэффициент неравномерности износа, в среднем к = 0,6...0,7;

/? н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в миллиметрах, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в кубических метрах на километр.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий.

Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения зерен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твердости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердомера, и асфальтобетонные покрытия подразделяют на очень твердые - 0-2 мм погружения иглы; твердые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью и поэтому износ его происходит медленнее.

На втором этапе после погружения щебенок в покрытие происходит собственно износ - истирание покрытия.

Износ (истирание) - основной вид разруше­ния дорожного покрытия, определяет условия и сроки его службы. Износом называют уменьшение толщины покрытия за счет потери им материала в процессе экс­плуатации под воздействием колес автомобилей и при­родных факторов.

Износ покрытия происходит под влиянием касатель­ных сил, действующих в плоскости следа автомобильных колес и вызванных работой шин по преодолению сил трения. Касательные напряжения в плоскости следа вы­зывают истирание дорожного покрытия и покрышки ко­леса автомобиля на всем пути его следования. Такие на­пряжения увеличиваются от комплекса воздействий, вызывающих проскальзывание покрышки колеса в плос­кости следа в условиях нормального ее качения. Кроме того, усилению износа способствуют природные факторы, так как материал покрытия ослабляется при насыщении водой, а зимой под действием ее замерза­ния.

Износ покрытия происходит по всей ширине проез­жей части, но больше всего на полосах наката, где чаще проходят колеса автомобилей в один след. При исследо­ваниях условно принимают величину износа равномер­но распределенной по всей площади покрытия. При этом средняя величина износа h ср мм, составляет h ср =kh н. гдеk- коэффициент неравномерности износа, в сред­нем составляющий величину 0,6-0,7;h„ - определен­ная величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в миллиметрах, а для покрытий переходного и простей­шего типа также и по объему потери материала, м 3 /км.

Помимо износа дорожные покрытия подвержены де­формациям и разрушениям, описанным ниже и показан­ным на рис. 25 и 26.

Шелушение - обнажение поверхности покрытия, отделение поверхностных тонких пленок и чешуек мате­риала покрытия, деформированного под воздействием воды и мороза, а также колес автомобилей. Этот про­цесс особенно интенсивно протекает в весенний период при частом нагревании верхних слоев покрытия солнеч­ными лучами днем и замерзании ночью. Шелушение происходит тем интенсивнее, чем выше пористость и меньше прочность материала покрытия. Процесс шелу­шения развивается также от действия хлоридов, приме­няемых при борьбе с гололедом. Особенно вредны они для цементобетонных покрытий с большим содержанием поверхностных пор. Хлориды усиливают шелушение по­крытий косвенно, снижая морозостойкость бетона. Эти воздействия способствуют выделению скрытой теплоты плавления льда на покрытии, в результате чего оно от­таивает, а потом снова замерзает. Для прекращения ше­лушения необходимо уменьшать пористость верхней ча­сти покрытия, обрабатывая ее летом битумом с рос­сыпью мелкого минерального материала.

Выкрашивание - последующий после шелуше­ния процесс разрушения покрытия, при котором от по­крытия отделяются более крупные зерна минерального материала. Выкрашиваются не только покрытия пере ходного типа, но и все усовершенствованные из-за поте­ри связи между зернами материалов. Из пористых цементобетонных покрытий материал выкрашивается в результате усиления процессов шелушения. Из асфальтобетонных покрытий выпадают зерна щебня, плохо сцепленные с битумом (зерна кремния). Причинами вык­рашивания покрытий служит также низкое качество смесей из-за перевозки их в самосвалах (остатки песка попадают в покрытие), недоукатки покрытия в холод­ную и дождливую погоду и т. п. Приостановить этот про­цесс можно путем укладки защитного слоя.

Обламывание кромок - разрушение покры­тий в местах их сопряжения с обочинами, происходящее чаще всего в случаях переезда тяжелых грузовых авто­мобилей через кромки покрытий. На цементобетонных покрытиях, кроме того, кромки обламываются вдоль температурных швов при низком качестве бетона или когда нет связи между плитами. При движении автомо­биля через шов плита прогибается и, если нет хорошей связи между плитами, колесо ударяет о кромку следую­щей плиты. При строительстве дороги кромки покрытия нужно предохранять от обламывания, для чего на обо­чинах устраивают укрепительные (краевые) полосы. На тех дорогах, где таких полос нет, их необходимо делать при ремонтных работах.

Волны - это деформации, образующиеся на покры­тиях с излишней пластичностью. Верхний слой асфаль­тобетонных покрытий под действием касательных сил, особенно при торможении, сдвигается на уклонах и в местах остановок общественного транспорта. Волны, или складки, образуются преимущественно в жаркую солнечную погоду, когда покрытие нагревается до 60° и более. На чрезмерно пластичных грунтовых и гравийных покрытиях, обработанных органическими вяжущими, волны могут достигать таких размеров, что движение по дороге станет невозможным, из-за них автомобили пе­реходят на обочины. Образование волн можно приоста­новить путем россыпи мелкого остроугольного минераль­ного материала с последующей укаткой его тяжелыми катками на металлических вальцах. Разновидностью волн являются наплывы, при которых материал сдвига­ется в поперечном направлении. Например, в местах Ос­тановок общественного транспорта материал смещается на бордюры.

Гребенка - вид разрушения покрытий переход­ного типа, преимущественно гравийных, а иногда - по­крытий облегченных усовершенствованного типа. Гребен­ка имеет вид правильных, более или менее четко выра­женных поперечных выступов, чередующихся с углублениями. Для устранения этого недостатка необ­ходимо провести кирковку покрытия с последующим исправлением дорожного профиля автогрейдерами и укаткой.

Сдвиги - деформации покрытия, возникающие при действии касательных сил от колес автомобилей, особенно в местах их торможения. Сдвиги образуются главным образом при отсутствии надлежащей связи по­крытия с основанием или верхнего слоя покрытия с нижним. Сдвиги сопровождаются трещинами. В местах сдвига, особенно в трещинах, покрытие начинает разру­шаться.

Вмятины - углубления в пластичных покрытиях в виде отпечатков рисунка покрышек автомобилей или следа гусеничных машин, образующиеся в жаркую по­году.

Трещины , образующиеся на цементобетонных по­крытиях, служат обычно признаком недостаточной проч­ности и начала разрушения. Поперечные температур­ные трещины образуются при больших расстояниях между швами и в тех случаях, когда произошло сцеп­ление бетонных плит с основанием и они лишились возможности перемещаться при температурных изме­нениях.

Продольные трещины возникают при неоднородно уплотненном земляном полотне - когда края его, уп­лотненные меньше середины, начинают давать осадки. Косые трещины появляются над местными пустотами- осадками земляного полотна и при недостаточно проч­ных покрытиях.

Поперечные температурные трещины образуются на покрытиях, поверхность которых обработана органическими вяжущи­ми, при резком снижении температуры воздуха осенью и при больших перепадах температуры зимой. Они зако­номерно распределяются на определенных расстояниях друг от друга (6-10 м). Образуются они из-за недоста­точной сопротивляемости материала покрытия темпера­турным напряжениям.

Осевые трещины на асфальтобетонных покрытиях появляются вследствие плохого сопряжения асфальтобе­тонной смеси двух соседних полос, когда горячая смесь примыкает к ранее уложенной холодной полосе. Косые трещины являются развитием поперечных и продольных трещин при недостаточной прочности покрытия.

Сетка трещин возникает на дорожном покры­тии, как правило, при недостаточной прочности основа­ния. Особенно часто сетка трещин образуется в весен­ний период, когда переувлажненный грунт вызывает под нагрузкой большие прогибы основания. Более жесткий материал покрытия не выдерживает таких прогибов, в результате чего и появляются трещины. Ниже изображены все виды вышеперечисленных трещин.