Нарезка швов предупреждает трещинообразование
Сообщение "Новые дорожные технологии, примененные при модернизации автомобильной дороги Брест-Минск-граница России", сделанное на научно-практической конференции "Современные дорожные технологии" д. т. н., профессором Вячеславом Яромко
Введение
Автомобильная дорога М1/Е30 “Брест—Минск—граница России” на участке от подъезда к аэродрому "Минск-2" до г. Ивацевичи в последний раз была реконструирована в 1978—1982 гг. по параметрам I категории. За истекший период после реконструкции (16—20 лет) на цементном покрытии появились и начали прогрессировать разрушения в виде выбоин, шелушения и выкрашивания верхнего слоя бетона, трещин плит и сколов кромок деформационных швов. Необходимо было проведение ремонтных работ по реабилитации цементобетонного покрытия. Был объявлен международный тендер на проведение ремонтных работ, который выиграла итальянская фирма “Тодини”. Заказчик (ГРПП “Белавтострада”) совместно с консалтинговой фирмой "Кампсакс" (Дания) осуществлял технический надзор, а подрядчик (фирма "Тодини") совместно с привлеченными для выполнения работ различными дорожно-строительными фирмами (в числе которых основной объем работ выполнен белорусскими дорожно-строительными трестами ДСТ-4, ДСТ-7 и ДСТ-2) завершил работы в 1998 г. За период 1995—98 гг. было модернизировано 234 км дороги I категории М1/Е30 на участке км 141—км 375.
В течение этого периода НПО “Белавтодорпрогресс” осуществляло научное сопровождение работ. В ходе этих работ в проект был внесен ряд изменений и дополнений в части как изменения технических решений, так и более полного учета природно-климатических условий при выборе материалов и технологий. Важное место в этом процессе занимают наблюдения за состоянием отремонтированных участков дороги, анализ причин возникновения отдельных дефектов, разработка предложений по их устранению.
В предлагаемом обзоре обобщен накопленный опыт применения новых материалов, конструкций и технологий, которые широко использовались при модернизации дороги.
Ремонт цементобетонных покрытий
На всем протяжении ремонтируемого участка дороги производился сплошной ремонт герметизации швов (Рис. 1. Ремонт и герметизация деформированных швов цементобетонного покрытия.). Удаление существующего герметика производилось с помощью нарезчика швов, оборудованного набором дисков толщиной 9 мм, для того чтобы получить ширину паза не менее 10 мм. Глубина расчистки и нарезки швов должна составлять не менее 30 мм. Для очистки швов от грязи применяли установки водоструйной очистки под высоким давлением. После промывки паз шва продувался и сушился теплым воздухом, температура которого должна равняться температуре жидкого герметика ± 100С. Период между сушкой и нанесением подгрунтовки не должен превышать 15 мин. Перед заливкой герметика в шов укладывалась прокладка из резинового жгута. Для заливки швов в основном применялся герметик немецкого производства, который обеспечивает хорошую адгезию к бетону и хорошо работает и при отрицательных, и при положительных температурах.
Ремонт разрушений цементобетонного покрытия (сколов углов и краев плит, выбоин, кромок плит вдоль швов и трещин) производили как импортными быстротвердеющими материалами на цементной основе (типа Эмако), так и литой асфальтобетонной смесью, включающей 38% щебня фракции 2/6,3 мм, 20% щебня фракции 6,3/10 мм, 27% отсева дробления 0/2 мм, 15% минерального порошка и 10% битума. Температура смеси при укладке была в пределах 2000С. Применяли также асфальтобетонную смесь R12 на модифицированном битуме.
Устройство тонких защитных слоев (Рис. 2. Влияние вязкости битума на свойства асфальтобетона при низких температурах (содержание вяжущего — 5,5%)
Для защиты цементобетонного покрытия от дальнейшего разрушения на дорогах I категории обычно назначают усиление слоями асфальтобетона толщиной не менее 15- 18 см. При модернизации дороги М1/Е30 было принято решение постепенного наращивания слоев из асфальтобетона (стадийный метод). На первой стадии устраивали выравнивающий слой из асфальтобетона толщиной 2- 3 см, который одновременно должен был выполнять роль трещинопрерывающего слоя, и верхний слой покрытия толщиной 4 см. Оба слоя в 1996 г. устраивали из асфальтобетона на модифицированном SBS- битуме.
Конструкция покрытия и состав асфальтобетона применены в Беларуси впервые. В отличие от применяемых у нас составов асфальтобетон верхнего слоя R11 приготовлен полностью на дробленых каменных материалах и модифицированном полимером SBS-битуме. Смеси обладают высокой прочностью при температуре 500С (R50(15 кгс/см2).Однако они имеют недостаточную релаксационную способность при низких температурах, то есть подвержены низкотемпературному трещинообразованию, что и подтвердилось в первую зиму. Причин здесь несколько. Главные (это достаточно жесткое вяжущее (исходный битум с пенетрацией 50/70 мм-1) и, возможно, прерывистый зерновой состав верхнего слоя, в котором содержится 65% щебня. В таком асфальтобетоне преобладают упруго-хрупкие связи, которые придают ему повышенные прочностные свойства при высоких положительных температурах и отрицательно влияют на его трещиностойкость при низких температурах.
Составы асфальтобетонных смесей
Для асфальтобетонов применяли щебень фракции 6,3/10 мм и 2/6,3 мм и дробленый песок фракции 0/2 мм. Смеси готовили на модифицированном 3%-ном SBS-битуме Новополоцкого НПЗ. Составы смесей представлены ниже.
Приготовление модифицированного битума и асфальтобетонной смеси производилось с помощью итальянского оборудования на АБЗ в г. п. Фаниполь. Температура приготовления вяжущего 1800С, время приготовления 3- 3,5 часа. Щебень узких фракций также готовили на итальянской дробильно-сортировочной установке (тип дробилки (стержневая) путем дробления исходной фракции щебня 20/60 мм.
Укладка асфальтобетонной смеси производилась одновременно двумя-тремя укладчиками фирмы “Марини” на всю ширину проезжей части и укрепленной обочины, что обеспечивало надежное сопряжение укладываемых полос.
Контроль качества исходных материалов, асфальтобетонной смеси и кернов, отбираемых из покрытия, систематически выполнял подрядчик, а также заказчик в лаборатории подрядчика. На месте производства работ заказчик контролировал температуру и толщину слоя укладываемой смеси. Контроль состава смеси на месте укладки осуществлялся визуально и по данным паспортов на смесь.(Рис. 3. Влияние содержания модифицированного битума на свойства асфальтобетона R 11 при низких температурах)
Результаты испытаний асфальтобетонных смесей R11 (верхний слой) и R12 (слой ограничения подъема трещин), проведенные в 1996 г., показали, что эти смеси имеют низкие значения показателя прочности на растяжение при изгибе при 00С. Показатель этот характеризует устойчивость асфальтобетона против образования температурных трещин в зимний период. Этот показатель нормируется СТБ 1033-96 и для асфальтобетона I марки должен быть не менее 20 кгс/см2. Фактические значения показателя составляли 11- 22 кгс/см2в зависимости от партии асфальтобетонной смеси. Таким образом, функция защиты покрытия от образования трещин, которую по проекту должен выполнять слой ограничения подъема трещин из смеси R12, не может быть реализована из-за низкой прочности асфальтобетона на растяжение, обусловленной в основном прочностью связей сцепления между частицами скелета, которая достигается за счет сил когезионной прочности вяжущего. Поэтому при недостаточной прочности асфальтобетона на растяжение в определенных случаях могут происходить сдвиги на контакте "колесо- покрытие" с отрывом щебенок от воздействия касательных напряжений при движении автомобиля и его торможении. Таким образом, недостаточная прочность асфальтобетона на растяжение повлияет не только на трещиностойкость покрытия, но и на сохранение монолитности и ровности из-за отрыва (выноса) частиц поверхностного слоя.
Обследование построенных в 1996 г. асфальтобетонных покрытий показало, что через 5- 6 месяцев на покрытиях появились поперечные трещины, а в отдельных местах наблюдалось и выкрашивание верхнего слоя асфальтобетона. Прогноз возможных разрушений асфальтобетона по показателю прочности на растяжение при изгибе подтвердился.
Из этого можно сделать вывод, что применяемые фирмой "Тодини" составы смесей R11 и R12 на модифицированном полимером SBS (Кратон Д 1101 фирмы "Шелл") битуме требуют корректировки в части повышения трещиностойкости. Кроме того, текстура поверхности покрытия из смеси R11 прерывистого гранулометрического состава (щебень фракции 6,3/10 мм (65% и отсев дробления 0/2 мм (35%) имеет неоднородную структуру из-за скопления крупных частиц щебня в отдельных зонах покрытия, что способствует отрыву отдельных щебенок с развитием дефектов шелушения и выкрашиванием покрытия.
В связи с этим НПО "Белавтодорпрогресс" были проведены исследования по изучению влияния состава смеси R11 на ее физико-механические показатели при низких температурах.
Исследования проводили на асфальтобетонной смеси R11 с применением в качестве вяжущих как чистых битумов БНД 60/90 и БНД 90/130, так и битумов, модифицированных полимером Кратон Д 1101 типа SBS. На рисунке 2 представлены результаты испытаний смеси R11 в зависимости от вязкости (пенетрации вяжущего). Как для модифицированных, так и для чистых битумов, величина остаточной (пластической) деформации при 00С с увеличением пенетрации (или уменьшением вязкости вяжущего) возрастает, а модуль остаточной деформации уменьшается. Следовательно, снижение вязкости вяжущего положительно влияет на свойства асфальтобетона при отрицательных температурах. Асфальтобетон становится более пластичным и менее вязким, что способствует улучшению его релаксационной способности. В то же время при пенетрации модифицированного битума в пределах 50- 62 мм-1остаточная деформация остается практически постоянной и равной 0,010. Для чистых битумов с увеличением пенетрации с 88 до 116 мм-1наблюдается рост остаточной деформации с 0,008 до 0,012. Во всех случаях модификация битума проводилась 3% полимеров Кратон или ДСТ. Таким образом, с точки зрения низкотемпературной трещиностойкости для данной смеси, модифицированный 3%-ный SBS-битум не имеет особых преимуществ перед чистыми битумами.
На рисунке 3 представлены зависимости остаточной деформации, модуля остаточной деформации, прочности на растяжение и энергии остаточной деформации при температуре 00С от содержания модифицированного битума с пенетрацией 31 мм-1в смеси R11 при содержании полимера типа SBS в количестве 3%. Прочность асфальтобетона с увеличением содержания вяжущего увеличивается с 19 до 26,6 кгс/см2, затем при содержании вяжущего 6% несколько уменьшается (до 24,7 кгс/см2). Остаточная деформация и энергия остаточной деформации с увеличением содержания битума от 5,37 до 6,0 % возрастают в 1,8- 2,0 раза. При снижении вязкости (увеличении пенетрации с 31 до 72 мм-1) величина остаточной деформации увеличивается с 0,010 до 0,012, но в то же время уменьшается прочность асфальтобетона на растяжение, хотя энергия остаточной деформации (энергия диссипации) при разрушении остается практически неизменной (0,22- 0,30 кгс/см2). Таким образом, низкотемпературные свойства асфальтобетона для смеси заданного гранулометрического состава R11 (щебень фракции 6,3/10 мм (65 %, отсев дробления 0/2 мм (35 %) в большей степени зависят от содержания модифицированного вяжущего, чем от его вязкости (при содержании полимера в смеси, равного 3 %).
Влияние содержания полимера (от 3 до 5% от массы битума) на релаксационную способность асфальтобетона была исследована на примере состава R11Г(щебень фракции 6,3/10 мм (60 %, фракции 2/6,3 (15%, отсев дробления 0/2 мм (22%, минеральный порошок (3%, содержание модифицированного вяжущего (5,8 %). Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Из табл. 1 видно, что при увеличении содержания полимера с 3 до 5% произошло некоторое увеличение прочности асфальтобетона на растяжение при 00С (19,9/17,3 = 1,15 раза), прочности на сжатие при 500С (15,1/14,3 = 1,06 раза) и модуля остаточной деформации при 500С (916 / 657 = 1,39 раза). Величина остаточной деформации (0,012) не изменилась. Таким образом, для данного состава асфальтобетонной смеси увеличение содержания полимера дает лучший результат в части повышения устойчивости смеси к колееобразованию в летнее время. Улучшение релаксационной способности асфальтобетона происходит также при низких температурах, но в меньшей степени. (Рис. 4. Влияние содержания полимера SBS на величину остаточной деформации асфальтобетона при температуре 40°С)
При одинаковом содержании вяжущего и примерно одинаковой его вязкости лучшие результаты как по показателю относительной остаточной деформации, так и энергии остаточной деформации получены для составов R11Д, R11С и R11Г с содержанием щебня фракции 6,3/10 мм в количестве 45- 60 %, а битума (5,8 % и непрерывной гранулометрией. Для смеси R11 с прерывистой гранулометрией (содержание щебня фракции 6,3/10 мм в количестве 65%) такие показатели можно получить только при содержании вяжущего в количестве 6%. Таким образом, влияние типа гранулометрии следует учитывать в большей степени при получении однородной текстуры поверхности покрытия и удобоукладываемости смеси, чем для достижения лучших показателей при низких температурах.
Исследования зарубежных ученых по применению полимерной добавки SBS для модификации битумов показывают следующее (рис. 4 и табл. 2).
Таблица 2
Глубина колеи в асфальтобетоне при температуре 400С при введении SBS резко снижается. При этом при дозировке SBS в количестве 3- 7 % от массы битума не наблюдается существенного уменьшения глубины колеи с увеличением содержания SBS сверх 3- 4 %.
Для более вязких битумов (пенетрация 60 мм-1) введение полимера SBS приводит к увеличению эластического возврата и температуры размягчения, а также к некоторому уменьшению пенетрации в сравнении с аналогичными показателями для менее вязких битумов (пенетрация 100 мм-1) как при введении 3 %, так и 7 % SBS.
Из приведенных зарубежных данных можно сделать вывод, что введение добавки SBS свыше 3- 4 % не дает существенных преимуществ в повышении эксплуатационных показателей асфальтобетона (сопротивление колееобразованию и низкотемпературной трещиностойкости).
Вместе с тем применение модифицированных SBS битумов позволяет повысить сдвигоустойчивость (уменьшение остаточных деформаций) асфальтобетона, обеспечить более длительный срок службы по усталости (выносливости) и водостойкости за счет увеличения прочностных показателей асфальтобетона. Дальнейшие наблюдения за работой асфальтобетонных покрытий позволяют сделать более конкретные выводы о рациональных областях применения асфальтобетонов на битумах, модифицированных термопластическими каучуками типаSBS.
Мероприятия по повышению трещиностойкости покрытий
С целью повышения трещиностойкости покрытия Комитетом по автомобильным дорогам РБ принято решение об изменении в 1997 г. технических решений по устройству слоя усиления цементобетонного покрытия. С учетом экономических возможностей толщина двухслойного покрытия из асфальтобетона была принята равной 7 см (увеличена на 1 см по сравнению с проектной). Вместо битума с пенетрацией 50/70 мм-1рекомендован менее вязкий битум с пенетрацией 90/130 мм-1, при этом нижний выравнивающий слой толщиной 3 см устраивали на чистом битуме, верхний (на модифицированном 3- 3,5% полимерной добавкой SBS. Изменена также гранулометрия асфальтобетонной смеси типа А: вместо прерывистой применена непрерывная гранулометрия. Содержание битума увеличено с 5,37 до 5,50- 5,75%. С целью предотвращения появления неорганизованных отраженных трещин над поперечными швами цементобетонного покрытия в верхнем слое асфальтобетона через 2- 3 плиты нарезаны и загерметизированы швы. Эта работа выполнена в условиях Беларуси впервые, и последующая эксплуатация дороги позволит определить, насколько эффективной оказалась предварительная организация "трещин" в местах их появления после зимы.
В 1997—1998 гг. применялись следующие составы асфальтобетонных смесей (табл. 3).
Таблица 3
СмесьR11 на модифицированном 3% SBS-битуме применялась для устройства верхнего слоя покрытия толщиной 4 см, смеси R13АиR13В для устройства защитных слоев толщиной 2,5-3,0 см, смесь R13для устройства выравнивающихслоев толщиной 3 см, смесь R15 для устройства верхнего слоя покрытия толщиной 7 см на обочине. Смеси R13,R13АиR13Вв обязательном порядке содержат минеральный порошок в количестве не менее 50% от требуемого количества материалов фракции менее 0,08 мм.
Следует отметить, что существенного влияния полимерной добавки SBS (Кратон фирмы "Шелл") на улучшение трещиностойкости асфальтобетона не достигнуто. Это следует как из показателей прочности на растяжение, модуля остаточной деформации и индекса трещиностойкости при 00С, так и раннего появления температурных трещин на дороге. В то же время для смеси R11,приготовленнойна модифицированном битуме, модуль остаточной деформации при температуре 500С в два раза выше, чем для смеси R13,котораяприготовлена начистом битуме.
Качество асфальтобетонного покрытия определяется качеством применяемой смеси и качеством ее укладки и уплотнения на дороге. В период выполнения работ производился отбор смеси из асфальтоукладчиков и отбор кернов из покрытия для контроля физико-механических показателей асфальтобетона, нормируемых СТБ 1033-96. Все смеси имели высокие прочностные и деформационные показатели при температуре 500С, которые в некоторых случаях в 1,2– 1,5 раза превышали требуемые СТБ 1033-96.
Образование отраженных трещин в асфальтобетонных покрытиях связано с действием как температурных напряжений, так и напряжений от транспортных нагрузок. Одним из способов их предотвращения является устройство так называемых "организованных трещин", которые создаются путем нарезки швов в новом покрытии над швами существующего покрытия, а затем производится их герметизация.
В 1997—1998 гг. на автодороге М1/Е30 были проведены работы по устройству швов в асфальтобетонном покрытии через 2 и 3 плиты. В январе-феврале 1998 г., после многократных циклов замораживания- оттаивания (120- 150 раз переход температуры покрытия через 00С), появились отраженные трещины как на участках, где швы не устраивались, так и на участках, где они устраивались через 2- 3 плиты.
Общее количество трещин в расчете на 1 км дороги зависит от схемы нарезки швов и состояния цементобетонного покрытия. Количество отраженных поперечных трещин на участках асфальтобетонного покрытия без швов значительно больше, чем со швами. Так, на участках без швов их количество составляет 108- 125 шт., на участках со швами (31 и 19 соответственно для Московского и Брестского направлений.
На участках с разрушением цементобетона (разрушение швов, уступы в швах) отраженные трещины появились практически над каждым швом цементобетонного покрытия.
Следует отметить, что у 8% от общего количества нарезанных швов отраженные трещины появились на расстоянии 10- 50 см от шва, что связано как с неточностью разметки вновь устраиваемых швов, так и с недостаточной глубиной нарезки швов.
Состояние швов в асфальтобетонном покрытии хорошее, отслоений герметика нет.
Представляют интерес закономерности развития отраженных трещин во времени. На участках покрытия, где производилась нарезка швов, темп прироста трещин значительно меньше, чем на участках без нарезки швов. Так, в период с 19 января 1998 г. по 18 февраля 1998 г. темп прироста трещин на покрытии без швов составил 1,7% в сутки, на покрытии со швами (0,05% в сутки. В период до 4 мая 1998 г. темп прироста составил соответственно 0,6 и 0% в сутки.
Полученные фактические данные о количестве отраженных трещин, динамике их развития позволяют сделать вывод о влиянии транспортной нагрузки и состояния цементобетонного покрытия на появление отраженных трещин. Влияние нагрузки видно из того, что количество отраженных трещин на более грузонапряженном направлении (Московском) больше, чем на менее напряженном (Брестском). Количество отраженных трещин больше на участках, где наблюдаются уступы (ступеньки) у швов, а также плиты и швы имеют разрушения.
Для установления влияния транспортной нагрузки на вертикальные деформации покрытия были проведены измерения прогибов под действием расчетной нагрузки группы А. Данные измерения прогибов на цементобетонном покрытии до и после устройства асфальтобетонного покрытия показывают, что отраженные трещины возникают, как правило, в местах наибольших прогибов покрытия. При этом прогибы достигают относительно больших значений (0,28 мм), сопоставимых с прогибами нежестких дорожных одежд (рис.5). Таким образом, под многократным воздействием транспортных нагрузок, усиленных нагрузкой от температурных напряжений, ускоряется процесс трещинообразования на асфальтобетонном покрытии. (Рис.5 Упругие прогибы тонкослойного асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании)
Податливость цементобетонного покрытия обусловлена эрозией укрепленных цементом и золой оснований, которые под действием природно-климатических факторов теряют несущую способность, а недостаточный уход и практически отсутствие герметизации швов приводит к выносу песка и образованию полостей в зоне до 30 см от конца плит (рис. 6).
Анализ данных наблюдений за развитием отраженных трещин на асфальтобетонном покрытии свидетельствует о целесообразности устройства швов ("организованных трещин") в асфальтобетонном покрытии над швами ремонтируемого цементобетонного покрытия. Глубина нарезки шва должна быть не менее половины толщины слоя асфальтобетона, т.е. не менее 35 мм, а ширина паза не менее 6- 8 мм из условия качественного заполнения швов герметиком. Расстояние между швами необходимо назначать через 2- 3 плиты на участках с прочным цементобетонным покрытием и хорошим состоянием деформационных швов и над каждым швом (через 1 плиту), где имеются разрушения цементобетона и существующих швов, а также присутствуют уступы (ступеньки) в швах. (Рис.6 Характеристика эрозии основания под цементобетонным покрытием.)
Предложения по совершенствованию технических решений
На основе учета двухлетнего опыта модернизации дороги в 1998 г. были внесены некоторые изменения в проектные решения. Усовершенствованы составы асфальтобетонных смесей с целью повышения низкотемпературной трещиностойкости, улучшения удобоукладываемости и обеспечения большей однородности текстуры поверхности.
Ямочный ремонт цементобетонного покрытия с заполнением мест ремонта асфальтобетонной смесью упрощен, исходя из того, что цементобетонное покрытие перекрывается двумя слоями асфальтобетона толщиной 7 см. Принято решение кромки ремонтируемых участков не оконтуривать резкой бетона с последующим его удалением пневмоинструментом, а проводить зачистку с помощью водоструйного аппарата под давлением до 15 атм с последующей сушкой, подгрунтовкой битумом или битумной эмульсией и заполнением песчаной асфальтобетонной смесью типа R12 и ее уплотнением.
На участках цементобетонного покрытия с хорошо сохранившейся поверхностной обработкой (более 90 % площади) рекомендовано провести ремонт поверхностной обработки, герметизацию швов и устроить двухслойное асфальтобетонное покрытие толщиной 7 см. Существующий слой поверхностной обработки, хорошо сохранившийся и имеющий хорошее сцепление с цементобетоном покрытия, будет выполнять роль дополнительного трещинопрерывающего слоя и позволит снизить скорость образования трещин на вновь устраиваемом асфальтобетонном покрытии. Кстати, хорошо сохранившаяся поверхностная обработка на цементобетонном покрытии косвенно характеризует состояние верхнего слоя цементобетона, который на этих участках имеет достаточную прочность и не разрушается под действием погодно-климатических факторов.
На участках, где цементобетонное покрытие имеет значительные разрушения верхнего слоя и деформационных швов, но в своей основе цементобетон имеет достаточную несущую способность, предложена технология дробления существующих цементобетонных плит для снятия напряжений. Необходимое оборудование для выполнения этих работ имеется в РГПП "Белавтострада".
Для снижения стоимости работ рекомендовано изменить конструкцию укрепленной обочины: нижний слой устраивать из отфрезерованной поверхностной обработки, верхний (толщиной 4 см (из асфальтобетонной смеси R15 на битуме БНД 90/130 без его модификации.
В 1999 г. были проведены опытные работы по осушению дорожной одежды в зоне сопряжения проезжей части с обочиной (устройство “дренирующей” обочины из черного щебня и фильтра из геотекстиля). Увеличена толщина защитных слоев покрытия (с 7 до 10 см). При этом нижний слой толщиной 6 см устраивали на чистом битуме, а верхний толщиной 4 см — как на чистом битуме, так и на битуме, модифицированном пластомером ЕVA.
Наблюдения за отремонтированными участками дороги позволят в дальнейшем разработать рекомендации по применению новых технических решений.
Введение
Автомобильная дорога М1/Е30 “Брест—Минск—граница России” на участке от подъезда к аэродрому "Минск-2" до г. Ивацевичи в последний раз была реконструирована в 1978—1982 гг. по параметрам I категории. За истекший период после реконструкции (16—20 лет) на цементном покрытии появились и начали прогрессировать разрушения в виде выбоин, шелушения и выкрашивания верхнего слоя бетона, трещин плит и сколов кромок деформационных швов. Необходимо было проведение ремонтных работ по реабилитации цементобетонного покрытия. Был объявлен международный тендер на проведение ремонтных работ, который выиграла итальянская фирма “Тодини”. Заказчик (ГРПП “Белавтострада”) совместно с консалтинговой фирмой "Кампсакс" (Дания) осуществлял технический надзор, а подрядчик (фирма "Тодини") совместно с привлеченными для выполнения работ различными дорожно-строительными фирмами (в числе которых основной объем работ выполнен белорусскими дорожно-строительными трестами ДСТ-4, ДСТ-7 и ДСТ-2) завершил работы в 1998 г. За период 1995—98 гг. было модернизировано 234 км дороги I категории М1/Е30 на участке км 141—км 375.
В течение этого периода НПО “Белавтодорпрогресс” осуществляло научное сопровождение работ. В ходе этих работ в проект был внесен ряд изменений и дополнений в части как изменения технических решений, так и более полного учета природно-климатических условий при выборе материалов и технологий. Важное место в этом процессе занимают наблюдения за состоянием отремонтированных участков дороги, анализ причин возникновения отдельных дефектов, разработка предложений по их устранению.
В предлагаемом обзоре обобщен накопленный опыт применения новых материалов, конструкций и технологий, которые широко использовались при модернизации дороги.
На всем протяжении ремонтируемого участка дороги производился сплошной ремонт герметизации швов (Рис. 1. Ремонт и герметизация деформированных швов цементобетонного покрытия.). Удаление существующего герметика производилось с помощью нарезчика швов, оборудованного набором дисков толщиной 9 мм, для того чтобы получить ширину паза не менее 10 мм. Глубина расчистки и нарезки швов должна составлять не менее 30 мм. Для очистки швов от грязи применяли установки водоструйной очистки под высоким давлением. После промывки паз шва продувался и сушился теплым воздухом, температура которого должна равняться температуре жидкого герметика ± 100С. Период между сушкой и нанесением подгрунтовки не должен превышать 15 мин. Перед заливкой герметика в шов укладывалась прокладка из резинового жгута. Для заливки швов в основном применялся герметик немецкого производства, который обеспечивает хорошую адгезию к бетону и хорошо работает и при отрицательных, и при положительных температурах.
Ремонт разрушений цементобетонного покрытия (сколов углов и краев плит, выбоин, кромок плит вдоль швов и трещин) производили как импортными быстротвердеющими материалами на цементной основе (типа Эмако), так и литой асфальтобетонной смесью, включающей 38% щебня фракции 2/6,3 мм, 20% щебня фракции 6,3/10 мм, 27% отсева дробления 0/2 мм, 15% минерального порошка и 10% битума. Температура смеси при укладке была в пределах 2000С. Применяли также асфальтобетонную смесь R12 на модифицированном битуме.
Для защиты цементобетонного покрытия от дальнейшего разрушения на дорогах I категории обычно назначают усиление слоями асфальтобетона толщиной не менее 15- 18 см. При модернизации дороги М1/Е30 было принято решение постепенного наращивания слоев из асфальтобетона (стадийный метод). На первой стадии устраивали выравнивающий слой из асфальтобетона толщиной 2- 3 см, который одновременно должен был выполнять роль трещинопрерывающего слоя, и верхний слой покрытия толщиной 4 см. Оба слоя в 1996 г. устраивали из асфальтобетона на модифицированном SBS- битуме.
Конструкция покрытия и состав асфальтобетона применены в Беларуси впервые. В отличие от применяемых у нас составов асфальтобетон верхнего слоя R11 приготовлен полностью на дробленых каменных материалах и модифицированном полимером SBS-битуме. Смеси обладают высокой прочностью при температуре 500С (R50(15 кгс/см2).Однако они имеют недостаточную релаксационную способность при низких температурах, то есть подвержены низкотемпературному трещинообразованию, что и подтвердилось в первую зиму. Причин здесь несколько. Главные (это достаточно жесткое вяжущее (исходный битум с пенетрацией 50/70 мм-1) и, возможно, прерывистый зерновой состав верхнего слоя, в котором содержится 65% щебня. В таком асфальтобетоне преобладают упруго-хрупкие связи, которые придают ему повышенные прочностные свойства при высоких положительных температурах и отрицательно влияют на его трещиностойкость при низких температурах.
Составы асфальтобетонных смесей
Для асфальтобетонов применяли щебень фракции 6,3/10 мм и 2/6,3 мм и дробленый песок фракции 0/2 мм. Смеси готовили на модифицированном 3%-ном SBS-битуме Новополоцкого НПЗ. Составы смесей представлены ниже.
| R11 (верхний слой покрытия | |
| Асфальтобетон типа ВВМА 0/10 по стандарту NF Р 98-132 | |
| Щебень фракции 6,3/10 мм | (65 % |
| Отсев дробления 0/2 мм | (35 % |
| Битум 50/70 + 3 % SBS | (5,37 % |
| R12 (слой ограничения подъема трещин | |
| Асфальтобетон типа ВВС 0/6 по стандарту NF Р 98-123 | |
| Щебень фракции 2/6,3 мм | (35 % |
| Отсев дробления 0/2 мм | (65 % |
| Битум 50/70 + 3 % SBS | (5,9 % |
Укладка асфальтобетонной смеси производилась одновременно двумя-тремя укладчиками фирмы “Марини” на всю ширину проезжей части и укрепленной обочины, что обеспечивало надежное сопряжение укладываемых полос.
Результаты испытаний асфальтобетонных смесей R11 (верхний слой) и R12 (слой ограничения подъема трещин), проведенные в 1996 г., показали, что эти смеси имеют низкие значения показателя прочности на растяжение при изгибе при 00С. Показатель этот характеризует устойчивость асфальтобетона против образования температурных трещин в зимний период. Этот показатель нормируется СТБ 1033-96 и для асфальтобетона I марки должен быть не менее 20 кгс/см2. Фактические значения показателя составляли 11- 22 кгс/см2в зависимости от партии асфальтобетонной смеси. Таким образом, функция защиты покрытия от образования трещин, которую по проекту должен выполнять слой ограничения подъема трещин из смеси R12, не может быть реализована из-за низкой прочности асфальтобетона на растяжение, обусловленной в основном прочностью связей сцепления между частицами скелета, которая достигается за счет сил когезионной прочности вяжущего. Поэтому при недостаточной прочности асфальтобетона на растяжение в определенных случаях могут происходить сдвиги на контакте "колесо- покрытие" с отрывом щебенок от воздействия касательных напряжений при движении автомобиля и его торможении. Таким образом, недостаточная прочность асфальтобетона на растяжение повлияет не только на трещиностойкость покрытия, но и на сохранение монолитности и ровности из-за отрыва (выноса) частиц поверхностного слоя.
Обследование построенных в 1996 г. асфальтобетонных покрытий показало, что через 5- 6 месяцев на покрытиях появились поперечные трещины, а в отдельных местах наблюдалось и выкрашивание верхнего слоя асфальтобетона. Прогноз возможных разрушений асфальтобетона по показателю прочности на растяжение при изгибе подтвердился.
Из этого можно сделать вывод, что применяемые фирмой "Тодини" составы смесей R11 и R12 на модифицированном полимером SBS (Кратон Д 1101 фирмы "Шелл") битуме требуют корректировки в части повышения трещиностойкости. Кроме того, текстура поверхности покрытия из смеси R11 прерывистого гранулометрического состава (щебень фракции 6,3/10 мм (65% и отсев дробления 0/2 мм (35%) имеет неоднородную структуру из-за скопления крупных частиц щебня в отдельных зонах покрытия, что способствует отрыву отдельных щебенок с развитием дефектов шелушения и выкрашиванием покрытия.
В связи с этим НПО "Белавтодорпрогресс" были проведены исследования по изучению влияния состава смеси R11 на ее физико-механические показатели при низких температурах.
Исследования проводили на асфальтобетонной смеси R11 с применением в качестве вяжущих как чистых битумов БНД 60/90 и БНД 90/130, так и битумов, модифицированных полимером Кратон Д 1101 типа SBS. На рисунке 2 представлены результаты испытаний смеси R11 в зависимости от вязкости (пенетрации вяжущего). Как для модифицированных, так и для чистых битумов, величина остаточной (пластической) деформации при 00С с увеличением пенетрации (или уменьшением вязкости вяжущего) возрастает, а модуль остаточной деформации уменьшается. Следовательно, снижение вязкости вяжущего положительно влияет на свойства асфальтобетона при отрицательных температурах. Асфальтобетон становится более пластичным и менее вязким, что способствует улучшению его релаксационной способности. В то же время при пенетрации модифицированного битума в пределах 50- 62 мм-1остаточная деформация остается практически постоянной и равной 0,010. Для чистых битумов с увеличением пенетрации с 88 до 116 мм-1наблюдается рост остаточной деформации с 0,008 до 0,012. Во всех случаях модификация битума проводилась 3% полимеров Кратон или ДСТ. Таким образом, с точки зрения низкотемпературной трещиностойкости для данной смеси, модифицированный 3%-ный SBS-битум не имеет особых преимуществ перед чистыми битумами.
На рисунке 3 представлены зависимости остаточной деформации, модуля остаточной деформации, прочности на растяжение и энергии остаточной деформации при температуре 00С от содержания модифицированного битума с пенетрацией 31 мм-1в смеси R11 при содержании полимера типа SBS в количестве 3%. Прочность асфальтобетона с увеличением содержания вяжущего увеличивается с 19 до 26,6 кгс/см2, затем при содержании вяжущего 6% несколько уменьшается (до 24,7 кгс/см2). Остаточная деформация и энергия остаточной деформации с увеличением содержания битума от 5,37 до 6,0 % возрастают в 1,8- 2,0 раза. При снижении вязкости (увеличении пенетрации с 31 до 72 мм-1) величина остаточной деформации увеличивается с 0,010 до 0,012, но в то же время уменьшается прочность асфальтобетона на растяжение, хотя энергия остаточной деформации (энергия диссипации) при разрушении остается практически неизменной (0,22- 0,30 кгс/см2). Таким образом, низкотемпературные свойства асфальтобетона для смеси заданного гранулометрического состава R11 (щебень фракции 6,3/10 мм (65 %, отсев дробления 0/2 мм (35 %) в большей степени зависят от содержания модифицированного вяжущего, чем от его вязкости (при содержании полимера в смеси, равного 3 %).
Влияние содержания полимера (от 3 до 5% от массы битума) на релаксационную способность асфальтобетона была исследована на примере состава R11Г(щебень фракции 6,3/10 мм (60 %, фракции 2/6,3 (15%, отсев дробления 0/2 мм (22%, минеральный порошок (3%, содержание модифицированного вяжущего (5,8 %). Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Показатели | Состав вяжущего | |
| БНД 60/90+3%ДСТ Пенетрация 55 мм-1 | БНД 60/90+5%ДСТ Пенетрация 43 мм-1 | |
| Прочность на растяжение при 00С, кгс/см2 | 17,3 | 19,9 |
| Относительная остаточная деформация при 00С | 0,012 | 0,012 |
| Модуль остаточной деформации при 00С, кгс/см2 | 1442 | 1658 |
| Энергия остаточной деформации при разрушении при 00С, кгс/см2 | 0,21 | 0,24 |
| Прочность на сжатие при 500С, кгс/см2 | 14,3 | 15,1 |
| Модуль остаточной (пластической) деформации при 500С, кгс/см2 | 657 | 916 |
При одинаковом содержании вяжущего и примерно одинаковой его вязкости лучшие результаты как по показателю относительной остаточной деформации, так и энергии остаточной деформации получены для составов R11Д, R11С и R11Г с содержанием щебня фракции 6,3/10 мм в количестве 45- 60 %, а битума (5,8 % и непрерывной гранулометрией. Для смеси R11 с прерывистой гранулометрией (содержание щебня фракции 6,3/10 мм в количестве 65%) такие показатели можно получить только при содержании вяжущего в количестве 6%. Таким образом, влияние типа гранулометрии следует учитывать в большей степени при получении однородной текстуры поверхности покрытия и удобоукладываемости смеси, чем для достижения лучших показателей при низких температурах.
Исследования зарубежных ученых по применению полимерной добавки SBS для модификации битумов показывают следующее (рис. 4 и табл. 2).
Таблица 2
| Показатели | Битум с пенетрацией 60 мм-1+3%SBS | Битум с пенетрацией 100 мм-1+3%SBS | Битум с пенетрацией 60 мм-1+7 %SBS | Битум с пенетрацией 100 мм-1+7 %SBS |
| Пенетрация (мм-1) | 48 | 44 | 39 | 38 |
| Температура размягчения по КИШ (0С) | 51 | 54,5 | 94,5 | 94,5 |
| Процент эластичного возврата | 77 | 70 | 93 | 85 |
Для более вязких битумов (пенетрация 60 мм-1) введение полимера SBS приводит к увеличению эластического возврата и температуры размягчения, а также к некоторому уменьшению пенетрации в сравнении с аналогичными показателями для менее вязких битумов (пенетрация 100 мм-1) как при введении 3 %, так и 7 % SBS.
Из приведенных зарубежных данных можно сделать вывод, что введение добавки SBS свыше 3- 4 % не дает существенных преимуществ в повышении эксплуатационных показателей асфальтобетона (сопротивление колееобразованию и низкотемпературной трещиностойкости).
Вместе с тем применение модифицированных SBS битумов позволяет повысить сдвигоустойчивость (уменьшение остаточных деформаций) асфальтобетона, обеспечить более длительный срок службы по усталости (выносливости) и водостойкости за счет увеличения прочностных показателей асфальтобетона. Дальнейшие наблюдения за работой асфальтобетонных покрытий позволяют сделать более конкретные выводы о рациональных областях применения асфальтобетонов на битумах, модифицированных термопластическими каучуками типаSBS.
Мероприятия по повышению трещиностойкости покрытий
С целью повышения трещиностойкости покрытия Комитетом по автомобильным дорогам РБ принято решение об изменении в 1997 г. технических решений по устройству слоя усиления цементобетонного покрытия. С учетом экономических возможностей толщина двухслойного покрытия из асфальтобетона была принята равной 7 см (увеличена на 1 см по сравнению с проектной). Вместо битума с пенетрацией 50/70 мм-1рекомендован менее вязкий битум с пенетрацией 90/130 мм-1, при этом нижний выравнивающий слой толщиной 3 см устраивали на чистом битуме, верхний (на модифицированном 3- 3,5% полимерной добавкой SBS. Изменена также гранулометрия асфальтобетонной смеси типа А: вместо прерывистой применена непрерывная гранулометрия. Содержание битума увеличено с 5,37 до 5,50- 5,75%. С целью предотвращения появления неорганизованных отраженных трещин над поперечными швами цементобетонного покрытия в верхнем слое асфальтобетона через 2- 3 плиты нарезаны и загерметизированы швы. Эта работа выполнена в условиях Беларуси впервые, и последующая эксплуатация дороги позволит определить, насколько эффективной оказалась предварительная организация "трещин" в местах их появления после зимы.
В 1997—1998 гг. применялись следующие составы асфальтобетонных смесей (табл. 3).
Таблица 3
| Материалы | Содержание материалов, %, для смесей | ||||
| R11 | R13А | R13В | R13 | R15 | |
| Щебень фракции 6,3/10 мм | 38 | 5 | 25 | 35 | 33 |
| Щебень фракции 2/6,3 мм | 37 | - | - | - | 33 |
| Отсев дробления 0/2 мм | 19 | - | - | 65 | 34 |
| Отсев дробления 0/6,3 мм | - | 90 | 71 | - | - |
| Минеральный порошок | 6 | 5 | 4 | вариант с 6 % | - |
| Битум БНД 90/130+3 %SBS | 5,6 | - | - | - | - |
| Битум БНД 90/130 | - | 6 | 5,6 | 6,2 | 5,5 |
Следует отметить, что существенного влияния полимерной добавки SBS (Кратон фирмы "Шелл") на улучшение трещиностойкости асфальтобетона не достигнуто. Это следует как из показателей прочности на растяжение, модуля остаточной деформации и индекса трещиностойкости при 00С, так и раннего появления температурных трещин на дороге. В то же время для смеси R11,приготовленнойна модифицированном битуме, модуль остаточной деформации при температуре 500С в два раза выше, чем для смеси R13,котораяприготовлена начистом битуме.
Качество асфальтобетонного покрытия определяется качеством применяемой смеси и качеством ее укладки и уплотнения на дороге. В период выполнения работ производился отбор смеси из асфальтоукладчиков и отбор кернов из покрытия для контроля физико-механических показателей асфальтобетона, нормируемых СТБ 1033-96. Все смеси имели высокие прочностные и деформационные показатели при температуре 500С, которые в некоторых случаях в 1,2– 1,5 раза превышали требуемые СТБ 1033-96.
Образование отраженных трещин в асфальтобетонных покрытиях связано с действием как температурных напряжений, так и напряжений от транспортных нагрузок. Одним из способов их предотвращения является устройство так называемых "организованных трещин", которые создаются путем нарезки швов в новом покрытии над швами существующего покрытия, а затем производится их герметизация.
В 1997—1998 гг. на автодороге М1/Е30 были проведены работы по устройству швов в асфальтобетонном покрытии через 2 и 3 плиты. В январе-феврале 1998 г., после многократных циклов замораживания- оттаивания (120- 150 раз переход температуры покрытия через 00С), появились отраженные трещины как на участках, где швы не устраивались, так и на участках, где они устраивались через 2- 3 плиты.
Общее количество трещин в расчете на 1 км дороги зависит от схемы нарезки швов и состояния цементобетонного покрытия. Количество отраженных поперечных трещин на участках асфальтобетонного покрытия без швов значительно больше, чем со швами. Так, на участках без швов их количество составляет 108- 125 шт., на участках со швами (31 и 19 соответственно для Московского и Брестского направлений.
На участках с разрушением цементобетона (разрушение швов, уступы в швах) отраженные трещины появились практически над каждым швом цементобетонного покрытия.
Следует отметить, что у 8% от общего количества нарезанных швов отраженные трещины появились на расстоянии 10- 50 см от шва, что связано как с неточностью разметки вновь устраиваемых швов, так и с недостаточной глубиной нарезки швов.
Состояние швов в асфальтобетонном покрытии хорошее, отслоений герметика нет.
Представляют интерес закономерности развития отраженных трещин во времени. На участках покрытия, где производилась нарезка швов, темп прироста трещин значительно меньше, чем на участках без нарезки швов. Так, в период с 19 января 1998 г. по 18 февраля 1998 г. темп прироста трещин на покрытии без швов составил 1,7% в сутки, на покрытии со швами (0,05% в сутки. В период до 4 мая 1998 г. темп прироста составил соответственно 0,6 и 0% в сутки.
Полученные фактические данные о количестве отраженных трещин, динамике их развития позволяют сделать вывод о влиянии транспортной нагрузки и состояния цементобетонного покрытия на появление отраженных трещин. Влияние нагрузки видно из того, что количество отраженных трещин на более грузонапряженном направлении (Московском) больше, чем на менее напряженном (Брестском). Количество отраженных трещин больше на участках, где наблюдаются уступы (ступеньки) у швов, а также плиты и швы имеют разрушения.
Податливость цементобетонного покрытия обусловлена эрозией укрепленных цементом и золой оснований, которые под действием природно-климатических факторов теряют несущую способность, а недостаточный уход и практически отсутствие герметизации швов приводит к выносу песка и образованию полостей в зоне до 30 см от конца плит (рис. 6).
Анализ данных наблюдений за развитием отраженных трещин на асфальтобетонном покрытии свидетельствует о целесообразности устройства швов ("организованных трещин") в асфальтобетонном покрытии над швами ремонтируемого цементобетонного покрытия. Глубина нарезки шва должна быть не менее половины толщины слоя асфальтобетона, т.е. не менее 35 мм, а ширина паза не менее 6- 8 мм из условия качественного заполнения швов герметиком. Расстояние между швами необходимо назначать через 2- 3 плиты на участках с прочным цементобетонным покрытием и хорошим состоянием деформационных швов и над каждым швом (через 1 плиту), где имеются разрушения цементобетона и существующих швов, а также присутствуют уступы (ступеньки) в швах. (Рис.6 Характеристика эрозии основания под цементобетонным покрытием.)
Предложения по совершенствованию технических решений
На основе учета двухлетнего опыта модернизации дороги в 1998 г. были внесены некоторые изменения в проектные решения. Усовершенствованы составы асфальтобетонных смесей с целью повышения низкотемпературной трещиностойкости, улучшения удобоукладываемости и обеспечения большей однородности текстуры поверхности.
Ямочный ремонт цементобетонного покрытия с заполнением мест ремонта асфальтобетонной смесью упрощен, исходя из того, что цементобетонное покрытие перекрывается двумя слоями асфальтобетона толщиной 7 см. Принято решение кромки ремонтируемых участков не оконтуривать резкой бетона с последующим его удалением пневмоинструментом, а проводить зачистку с помощью водоструйного аппарата под давлением до 15 атм с последующей сушкой, подгрунтовкой битумом или битумной эмульсией и заполнением песчаной асфальтобетонной смесью типа R12 и ее уплотнением.
На участках цементобетонного покрытия с хорошо сохранившейся поверхностной обработкой (более 90 % площади) рекомендовано провести ремонт поверхностной обработки, герметизацию швов и устроить двухслойное асфальтобетонное покрытие толщиной 7 см. Существующий слой поверхностной обработки, хорошо сохранившийся и имеющий хорошее сцепление с цементобетоном покрытия, будет выполнять роль дополнительного трещинопрерывающего слоя и позволит снизить скорость образования трещин на вновь устраиваемом асфальтобетонном покрытии. Кстати, хорошо сохранившаяся поверхностная обработка на цементобетонном покрытии косвенно характеризует состояние верхнего слоя цементобетона, который на этих участках имеет достаточную прочность и не разрушается под действием погодно-климатических факторов.
На участках, где цементобетонное покрытие имеет значительные разрушения верхнего слоя и деформационных швов, но в своей основе цементобетон имеет достаточную несущую способность, предложена технология дробления существующих цементобетонных плит для снятия напряжений. Необходимое оборудование для выполнения этих работ имеется в РГПП "Белавтострада".
Для снижения стоимости работ рекомендовано изменить конструкцию укрепленной обочины: нижний слой устраивать из отфрезерованной поверхностной обработки, верхний (толщиной 4 см (из асфальтобетонной смеси R15 на битуме БНД 90/130 без его модификации.
В 1999 г. были проведены опытные работы по осушению дорожной одежды в зоне сопряжения проезжей части с обочиной (устройство “дренирующей” обочины из черного щебня и фильтра из геотекстиля). Увеличена толщина защитных слоев покрытия (с 7 до 10 см). При этом нижний слой толщиной 6 см устраивали на чистом битуме, а верхний толщиной 4 см — как на чистом битуме, так и на битуме, модифицированном пластомером ЕVA.
Наблюдения за отремонтированными участками дороги позволят в дальнейшем разработать рекомендации по применению новых технических решений.
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 43 за 2000 год в рубрике дороги
