Армирование асфальтобетонных покрытий дорог с помощью прослоек в США и странах Европы

Рис. 1. Общий вид основания дорожной одежды, на который уложен слой сетки типа “Texsol”.



Рис. 2. Общий вид участка магистрали во Франции, на котором уложен геотекстиль в качестве трещинопрерывающей прослойки под слоями покрытия.

Применение трещинопрерывающих прослоек в конструкциях дорожных одежд в англо-американских странах
В 70-х годах в США впервые начали применять нетканый полипропиленовый материал, пропитанный битумом, в качестве трещинопрерывающей прослойки под асфальтобетонным дорожным покрытием. В 1982 г. на эти цели было израсходовано около 10% геотекстиля от производимого в стране.
На основании результатов опытного строительства, полученных в США, американские предприниматели уменьшили использование геотекстиля в качестве трещинопрерывающей прослойки. Однако они считают целесообразным применять битуминизированный геотекстить в виде прослойки (даже когда трещины проявляются на дорожном покрытии), так как он предотвращает проникновение влаги в земляное полотно через трещины. С этой целью геотекстиль большой толщины пропитывают модифицированным битумом.
В США в умеренном климатическом поясе, где зимняя температура воздуха на уровне земной поверхности колеблется от 0 до –8°С, проведены исследования состояния дорожных цементобетонных покрытий, перекрытых как одним или несколькими слоями из асфальтобетона, так и с применением нетканого материала "Retromat". В результате исследования установлено, что участки дорог, перекрытые только слоем из асфальтобетона, сохранили хорошее эксплуатационное состояние только в течение четырех лет, после чего потребовалось проведение текущего ремонта, и уже через 6 лет — полное перекрытие новым слоем из асфальтобетона. Участки, перекрытые с применением нетканого материала, находятся в хорошем состоянии в течение всего периода наблюдений (10 лет) без проведения каких-либо ремонтных работ.
В США армирование асфальтобетонных дорожных покрытий производят сварной сеткой из стальной проволоки. При значительных разрушениях покрытие дороги армируют по всей площади, в остальных случаях — отдельные участки над поперечными швами или трещинами. Исследования, проведенные американскими дорожными специалистами, показывают следующее: армирование предупреждает и уменьшает возникновение отраженных трещин, если и возникает незначительное трещинообразование, то оно намного меньше, чем на неармированных дорожных покрытиях. Наилучшие результаты получены при армировании сварной сеткой при средней толщине проволоки 4 мм и размерах ячеек 76 х 152 мм. При наличии такой сетки количество трещин уменьшилось в 8 раз по сравнению с неармированными слоями покрытий. Минимальная толщина асфальтобетонного слоя в случае использования металлической сетки составляет 4,5 см, при этом рекомендуется устройство двухслойных покрытий с применением плотного асфальтобетона; стоимость слоя армированного асфальтобетонного покрытия толщиной 75 мм не выше стоимости неармированного дорожного покрытия толщиной 95 мм (в последнем, однако, количество трещин больше в 5 раз); при небольших разрушениях основания дорожной одежды сетка может быть уложена только над швами или трещинами шириной полос по 90—120 см, сетка после раскладывания натягивается, а затем прикрепляется к основанию дорожной одежды стальными гвоздями.
Влияние полипропиленовой армирующей сетки "Geogrid ARI" на усталостную прочность асфальтобетонных слоев изучалось в Канаде. Эксперименты проводили на моделях дорожных одежд площадью 2,4 х 2 м при нормальной температуре воздуха, модуль упругости асфальтобетона составлял 2000 мПа. Армировали слой дорожного покрытия толщиной 10—25 см. Во всех случаях арматуру располагали в асфальтобетонном слое на расстоянии 2,5 см от зоны контакта слоя с основанием. При сопоставлении экспериментального участка дорожного покрытия с эталонным (без арматуры) установлено, что разрушение наступает, если: максимально остаточное перемещение штампа равно 30 мм; образовались широкие трещины; отмечен устойчивый рост напряжений в подстилающем грунте; горизонтальные деформации в нижней части асфальтобетонного слоя возросли на 30%; прогиб поверхности слоя дорожного покрытия увеличился на 20%.
Экспериментально установлено, что упругая деформация растяжения, измеренная в нижней части армированного асфальтобетонного слоя дорожного покрытия, меньше более чем на 30% по сравнению с деформацией неармированного слоя. Суммарное число повторений нагрузки до предельной деформации (30 мм) для армированных участков дорожного покрытия в 2 с лишним раза больше по сравнению с неармированными (350 тыс. против 150 тыс.). Вертикальные напряжения в грунте под нагруженными участками с армированным слоем на 30—40% меньше, чем с неармированным слоем покрытия.
На основании результатов экспериментов сделан вывод о том, что слой асфальтобетона толщиной 15—20 см может быть заменен без снижения долговечности на армированный асфальтобетонный слой покрытия, толщина которого на 5 см меньше. Неармированный слой дорожного покрытия толщиной 25 см эквивалентен по долговечности армированному слою покрытия толщиной 15 см.
В Ноттингемском университете (Великобритания) проводились работы по установлению эффективности армирования асфальтобетона сеткой "Tensar". Сетка "Tensar ARI" представляет собой двухосную ортогональную систему с большими размерами ячеек (40 х 63 мм). Она обладает большой прочностью на изгиб.
В результате проведенных работ установлено, что модуль упругости асфальтобетона с сеткой равен модулю упругости асфальтобетона без сетки. Использование сетки существенно повышает сопротивляемость дорожного покрытия клееобразованию. Слой сетки, уложенный на трещиновато-блочное основание, препятствует развитию отраженных трещин в асфальтобетонном дорожном покрытии (см. рис. 1).
Для исследований использовали сетки с модулем упругости 13 ГПа при температуре 20°С и частоте нагружения 1 Гц. Материал, из которого изготовлена сетка, менее чувствительный к воздействию температуры и скорости нагружения, чем асфальтобетон. На основании лабораторных испытаний определена эффективность использования сеток для армирования асфальтобетона. При этом увеличивается срок службы дорожного покрытия. Наиболее целесообразно располагать сетки на глубину покрытия, равную 1/4 от диаметра колеса автомобиля, что составляет 5—6 см. Считается, что использование сеток неэффективно для предупреждения образования первоначальной трещины, однако они имеют большой потенциал в ограничении прорастания отраженных трещин.
Английскими дорожными специалистами были проведены испытания на усталость образцов-балочек толщиной 80 мм циклическими нагрузками. Балочки устанавливали на основание из резиновой подушки, на которой находились две деревянные накладки с зазором 10 мм. Разрушение считалось достигнутым, когда длина трещины в балочке составляла 52 мм. Результаты усталостных испытаний показывают, что количество циклов до разрушения армированных образцов на порядок выше, чем неармированных. При этом показатель усталостной зависимости в уравнении усталости (то есть угол наклона усталостной кривой в двух логарифмических координатах lg E — lg N) не изменяется в армированных образцах по сравнению с образцами без сетки.
В материалах симпозиума по предотвращению отраженных трещин и III международной конференции по геотекстилю, проводившихся в США, были сформулированы основные требования к свойствам геотекстиля и его применению. Текстиль должен иметь малую усадку (даже если он жесткий), быть стойким к воздействию температур при укладке битумных смесей, хорошо впитывать битум и соединяться со слоем дорожного покрытия.
В настоящее время продолжается поиск материалов, удовлетворяющих этим требованиям.
Так, в США компанией "Phillips Fibers" разработан способ "Petromat", при котором на существующее потрескавшее покрытие дороги укладывают иглопрошитые волокна полипропилена или маты из этого материала.
Масса материала составляет 40 г/м 2, прочность при растяжении — 510 Н, удлинение при разрыве — 65%, поглощение битума — 0,9 л/м 2, цвет — черный, ширина рулона с материалом составляет 1,9 или 3,8 м, длина рулона — 91,4 м.
Укладка геотекстиля осуществляется следующим способом: очищают поверхность старого покрытия дороги, трещины и швы заполняют массой для заливки швов или мелкозернистой асфальтобетонной смесью при наличии больших разрушений и выбоин; производят розлив горячего битума при температуре 145°С из расчета 1,1 л/м 2, при значительных уклонах дорог количество битума должно быть уменьшено на 20%, вместо битума можно использовать катионные или анионные битумные эмульсии; раскладывают геотекстиль механическим способом или вручную, расправляют или прикатывают его пневматическими катками с целью обеспечения полного прилегания к дорожному основанию. Укладывают слой асфальтобетонной смеси непосредственно по разложенному геотекстилю при температуре не выше 162°С (оптимальная температура укладки смеси составляет 150°С), минимальная толщина асфальтобетонного слоя над геотекстилем — 2,5 см. Если вертикальные перемещения плит около трещин значительны, то перед укладкой геотекстиля необходимо плиты стабилизировать.

Применение трещинопрерывающих прослоек в конструкциях дорожных одежд магистралей в странах Европы
Во Франции эксплуатация 20 опытных участков дорог в течение 5 лет показала, что покрытия на них существенно не отличаются от обычных. Трещины проявляются тем быстрее, чем толще и более сжимаем геотекстиль и чем тоньше слой асфальтобетонного покрытия дороги. При этом, в нижней части слоя асфальтобетона появляются большие деформации, которые приводят к усталостным разрушениям.
На национальной магистрали № 20 построен опытный участок с использованием каландрированного геотекстиля, который сжимается незначительно. Геотекстиль пропитывали битумной эмульсией в количестве 700 г/м 2. Толщина слоя покрытия из асфальтобетона с гранулометрическим составом 0/10 составляла 6 см. Через две зимы на эталонном участке, где не укладывали геотекстиль, проявилось 10% трещин, а на опытном участке их вообще не было. Через четыре зимы на эталонном участке появилось 60% трещин, а на опытном — 40%.
Французские специалисты считают, что применение каландрированного геотекстиля эффективно. Результаты исследований в лабораторных условиях указывают, что необходимо использовать малосжимаемый и тонкий геотекстиль. При этом лучшие данные получаются, если битумное вяжущее модифицировано эластомерами (см. рис. 2).
На национальной магистрали № 138 испытан нетканый геотекстильный материал в качестве трещинопрерывающей локальной полосы над трещиной. Толщина дорожного покрытия из асфальтобетона составляла 4 см, ширина полосы армирования — 1 м. На этом опытном участке трещины образовались на поверхности покрытия над каждой трещинопрерывающей локальной полосой геотекстиля: одна — над старой трещиной, а две другие — по краям полосы. Затем появилась сетка трещин. Через 5,5 лет трещин на опытном участке было больше, чем на эталонном.
Во Франции под слои асфальтобетонных покрытий толщиной 4 и 8 см уложена прослойка в виде сетки с ячейками 15—20 мм из волокон на основе полиэфира высокой прочности типа "Trevira". Работы выполнялись в следующей последовательности: распределение первой части асфальтобетонной смеси по основанию слоем толщиной 1,3 см, укладка сетки, распределение второй части смеси, уплотнение. Через четыре года все трещины основания дорожной одежды проявились на покрытии, как и на эталонных участках.
Подобную сетку в виде армирующих локальных полос над трещинами применили на отдельных участках национальной дороги № 83. Толщина асфальтобетонного покрытия составила 8 см, ширина полос сетки — 1 м. На поверхности покрытия трещины начали проявляться спустя два года по сравнению с участком, где сетку не использовали. Через 11 лет состояние участков дороги стало одинаковым.
В Норвегии проводили эксперименты по армированию асфальтобетонных покрытий с целью предупреждения образования продольных трещин, возникающих из-за морозного пучения. При этом не ставилась задача с помощью армирования способствовать повышению ресурса работы покрытия в отношении усталостного разрушения. Для армирования применяли стальную и синтетическую сетки. Стальная арматурная сетка имела ячейки размером 50 х 50, 100 х 100, 150 х 300 мм и прочность при разрыве соответственно 85, 64, 204 кН/м. Синтетическая арматурная сетка имела ячейки размером 10 х 10 и 20 х 20 мм, а прочность при разрыве составляла 50 кН/м. На опытных участках дорожная одежда с продольными трещинами перекрывалась новым асфальтобетонным армированным слоем толщиной от 3 до 7 см. Опыт строительства и многолетние наблюдения за участками позволяют сделать вывод о том, что для предотвращения возникновения продольных трещин от морозного пучения могут быть использованы армирующие сетки из металла и синтетики.
Металлическая сетка для армирования слоев асфальтобетонных покрытий должна поставляться в виде плоских панелей длиной, равной ширине дорожного покрытия, в транспортировочных стеллажах.
Сетка укладывается на выровненное старое покрытие без перекрытия. Для закрепления сетки по ней распределяют органо-минеральную смесь в количестве 20 кг/м 2. Вздутую или изогнутую сетку необходимо выравнивать с помощью специального ключа. Дорожное покрытие следует укладывать в два слоя так, чтобы можно было устранить неровности до укладки верхнего слоя. Общая толщина покрытия должна составлять около 6 см.
Фирма "Rebau AG" (ФРГ) разработала текстильную армирующую сетку "Armipal-G" на основе стекловолокна, которая применяется при температуре выше 200°С, без изменения ее прочностных и деформативных характеристик. Разработанный материал применен на магистрали в Брутгарте: удален слой асфальтобетона толщиной 4 см посредством фрезерования, уложены "Armapal-G" и литой асфальтобетон при температуре 240°С на заполнителях с размером частиц 0—11 мм. Предполагается, что в этом случае значительно увеличится срок службы дорожного покрытия.
Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР