СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ С ЗААНКЕРИВАНИЕМ СЛОЕВ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ И ЦЕМЕНТОБЕТОННОГО ОСНОВАНИЯ

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано при строительстве новых и реконструкции существующих автомобильных дорог и аэродромов.

Известен способ возведения дорожной одежды, включающий устройство слоя основания из цементобетонной смеси, и последующее, после набора ее прочности (твердения), устройство слоя покрытия из асфальтобетонной смеси, при котором контактная поверхность соприкасающихся слоев выполнена прямолинейной (Пинус Э.Р. и др. Строительство цементобетонных покрытий автомобильных дорог. - М., Высшая школа, 1975, стр. 20, рис. 1.10).

Недостатком указанного способа является отсутствие взаимного объемного заанкеривания слоев из асфальтобетонной и цементобетонной смеси, что при большой неоднородности прочностных, деформационных, теплофизических и других свойств асфальтобетона и цементобетона создает условия для раздельной работы слоев дорожной одежды, приводит к снижению энергетического ресурса ее совместного противодействия эксплуатационным факторам, и, как следствие, к преждевременному деформированию дорожной одежды в виде образования колейности, просадок, трещин и других дефектов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ возведения дорожной одежды с заанкериванием слоев из асфальтобетонной и цементобетонной смеси, включающий устройство слоя из цементобетонной смеси, создание после затвердевания смеси путем фрезерования бетона волнистой поверхности с размерами глубины выемок и ширины волнистости, равными соответственно: половине и одному диаметру максимального зерна заполнителя асфальтобетонной смеси и последующее устройство слоя из асфальтобетонной смеси (Патент Австрии N AT 405849 B. E01C 7/35).

Недостатками способа являются низкая несущая способность и долговечность дорожной одежды, что обусловлено низкой эффективностью заанкеривания слоев, а также высокой энергоемкостью, материалоемкостью и стоимостью осуществления способа.

Так, при устройстве выемок путем фрезерования слоя основания из затвердевшего бетона, наряду с очевидным уменьшением потенциальной энергии дорожной одежды, качественное заанкеривание основания со слоем асфальтобетонного покрытия, из-за невозможности взаимного объемного проникания материала слоев, а также низкой прочности контактного сцепления слоя из асфальтобетонной смеси с отфрезерованной поверхностью выемок цементобетонного слоя, не может быть обеспечено.

Кроме этого, форма и размеры волнистого профиля на цементобетонном слое, которые предусмотрены для заанкеривания слоев посредством частичного размещения в них наиболее крупных зерен заполнителя асфальтобетонной смеси, а не объемного заанкеревания слоя из асфальтобетонной смеси, также не могут обеспечить надежности совместной работы слоев, так как в этом случае при воздействии транспортной нагрузки и изменении температуры воздуха создаются благоприятные условия для концентрации в заанкеренных зернах заполнителя высоких разрушающих растягивающих и сдвигающих напряжений, которые в составе смеси обладают наибольшей хрупкостью и наименьшей прочностью на растяжение.

Кроме этого, устройство волнистости на поверхности бетонного слоя в виде объемных профилей различного поперечного сечения, разомкнутых в продольном направлении, из-за отсутствия заанкеривания слоя из асфальтобетонной смеси со слоем из цементобетонной смеси в продольном направлении, не может обеспечить его эксплуатационной устойчивости и долговечности от температурных воздействий и воздействий транспортной нагрузки.

К недостаткам известного способа относится также низкая адгезионная прочность сцепления слоев, которая достигается в основном за счет механического сращивания асфальтобетонной смеси со слоем основания из затвердевшей цементобетонной смеси путем развития его контактной поверхности, что без создания между слоями дополнительной интегрирующей прослойки на стадии формирования заанкеренной структуры материалов из асфальто- и цементобетона не может в полной мере обеспечить повышения ресурса совместной работы слоев дорожной одежды в эксплуатационных условиях, т.е. ее долговечности.

Наконец, к недостаткам указанного способа относится необходимость выполнения дополнительных работ по уходу за твердением цементобетонной смеси в период с момента ее укладки до устройства покрытия из асфальтобетонной смеси, что требует перерыва движения транспорта и увеличивает стоимость работ.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении повышения несущей способности и долговечности дорожной одежды. Также снижаются энергоемкость, материалоемкость и стоимость ее возведения.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что способ возведения дорожной одежды с заанкериванием слоев из цементобетонной и асфальтобетонной смесей, включающий устройство слоя основания из цементобетонной смеси, создание на его поверхности после затвердевания смеси путем фрезерования волнистого профиля из продольных выемок шириной и глубиной, равных соответственно: диаметру максимального зерна заполнителя асфальтобетонной смеси и его половине и последующее устройство слоя покрытия из асфальтобетонной смеси, отличается тем, что создание волнистого профиля выполняют ячеистой структуры в незатвердевшей цементобетонной смеси путем вдавливания в слой и извлечения из него жестких дискретно расположенных вдавливающих устройств (штампов) в виде перевернутых усеченных круглых прямых конусов или правильных пирамид, технологические параметры которых устанавливают исходя из следующих условий:

; ; ; ,

где h_з - высота вдавливающего устройства (штампа) - глубина заанкеривания асфальтобетонной смеси, см;

h₀ - толщина слоя основания из цементобетонной смеси, см;

d₁ - диаметр максимального зерна заполнителя асфальтобетонной смеси, см;

d₂ - диаметр максимального зерна заполнителя цементобетонной смеси, см;

a - размер основания элемента заанкеривания дорожной одежды, см, при в=2,15d₁ и α=60°;

в - размер усеченной части основания элемента заанкеривания дорожной одежды, см;

С - расстояние между смежными элементами заанкеривания в поперечном и продольном направлениях дорожной одежды, см;

Д - диаметр круга, равновеликого площади отпечатка колеса автомобиля в составе дорожного движения, предусмотренного проектом, см;

V_З - удельный объем заанкеривания асфальтобетонного покрытия в цементобетонном основании, см³/м²;

П - удельный объем межзерновых пустот в цементобетонной смеси основания дорожной одежды, см³/м², при М_з≥0,5, где М_з - модуль поверхности заанкеривания покрытия в основании.

Причем угол наклона боковой поверхности элемента заанкеривания к его основанию составляет 60°.

При этом перед устройством асфальтобетонного покрытия на волнистую поверхность цементобетонного основания распределяют воду, количество которой устанавливают из выражения:

,

где В - количество воды для распределения на поверхности цементобетонного основания перед укладкой асфальтобетонной смеси, кг/м²;

Q₁ - количество теплоты, содержащейся в слое асфальтобетонной смеси перед ее укладкой на слой из цементобетонной смеси, кДж/кг;

при этом Q₁=m₁c₁(t₁-t₂),

где m₁ - масса слоя асфальтобетонной смеси заданной толщины покрытия с учетом его заанкеривания в основании, кг/м²;

c₁ - удельная теплоемкость асфальтобетонной смеси, кДж/кг°C;

t₁ - температура асфальтобетонной смеси перед ее укладкой, °C;

t₂ -температура окружающей среды, °C;

Q₂ - количество теплоты, содержащейся в слое цементобетонной смеси, кДж/кг;

при этом Q₂=m₂c₂t₃, где m₂ - масса слоя цементобетонной смеси заданной толщины основания, кг/м²;

c₂ - удельная теплоемкость цементобетонной смеси, кДж/кг °C;

t₃ - температура цементобетонной смеси, °C;

L - удельная теплота парообразования воды, кДж/кг.

Причем устройство слоя асфальтобетонного покрытия на увлажненной поверхности цементобетонного основания производят до окончания схватывания цемента.

Совокупность вышеперечисленных признаков, являющихся существенными, позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемый способ возведения дорожной одежды в частных случаях может дополнительно характеризоваться следующими признаками.

В качестве цементобетонной смеси в основании дорожной одежды используют минеральную медленно твердеющую смесь со способностью набора прочности в процессе ее уплотнения, например, белитовый шлам.

Создание волнистого профиля в слое основания из цементобетонной смеси производят путем вдавливания и извлечения жестких устройств (штампов) в виде перевернутых усеченных круглых прямых конусов или правильных пирамид, расположенных, например, на барабане кулачкового катка.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез дорожной одежды и план размещения элементов заанкеривания на поверхности цементобетонного основания, на фиг. 2 - поперечный разрез по оси элемента заанкеривания дорожной одежды и план сечения элемента заанкеривания на уровне его усеченной части:

1 - асфальтобетонное покрытие;

2 - цементобетонное основание;

3 - диффузионная композитная прослойка;

4 - подстилающий слой основания;

5 - колесо автомобиля;

a - размер основания элемента заанкеривания дорожной одежды, см, при в=2,15d₁ и α=60°;

в - размер усеченной части основания элемента заанкеривания дорожной одежды, см;

С - расстояние между смежными элементами заанкеривания в поперечном и продольном направлениях дорожной одежды, см;

Д - диаметр круга, равновеликого площади отпечатка колеса автомобиля в составе дорожного движения, предусмотренного проектом, см;

h_п - толщина асфальтобетонного покрытия, см;

h₀ - толщина цементобетонного основания, см;

h_з - глубина заанкеривания слоя асфальтобетонного покрытия в цементобетонном основании, см.

Отличительной особенностью предлагаемого способа возведения дорожной одежды повышенной долговечности является увеличение потенциальной энергии основания в результате дислокационного образования ячеек (элементов заанкеривания) в незатвердевшей цементобетонной смеси основания в объеме ее пустотности и последующего заполнения ячеек асфальтобетонной смесью в процессе устройства покрытия, а также за счет объемного соединения - взаимного заанкеривания покрытия и основания путем создания на контакте слоев дополнительной клеящей органоминеральной композитной диффузионной прослойки гидротермального синтеза, и одновременного перераспределения кинетической энергии колесной нагрузки посредством концентрации ее в местах расположения элементов заанкеривания дорожной одежды.

Создание волнистой поверхности основания ячеистой структуры путем вдавливания, именно, в незатвердевшую цементобетонную смесь и извлечения из нее вдавливающих устройств (штампов), обусловлено способностью смеси в таком состоянии проявлять пластичные и изотропные свойства и при воздействии нагрузки, за счет дислокационного заполнения смесью межзерновых пустот, обеспечить увеличение плотности смеси без уменьшения массы смеси и разрушения слоя основания, а, следовательно, увеличение в местах вдавливания - местах образования несущих элементов заанкеривания, потенциальной энергии ее структурных связей и, в конечном счете, повысить несущую способность дорожной одежды.

При этом повышение потенциальной энергии дорожной одежды достигается также за счет увеличения ее массы в результате заполнения ячеек, образованных при вдавливании и извлечении штампов, дополнительным объемом асфальтобетонной смеси при устройстве покрытия.

Применение вдавливающих устройств в виде усеченных круглых прямых конусов или усеченных правильных пирамид обусловлено возможностью образования, путем их вдавливания в цементобетонную смесь и извлечения, дискретно расположенных в поверхностном слое основания ячеек, размеры которых, принятые с учетом максимального диаметра заполнителя асфальтобетонной смеси (условия 1 и 2), обеспечивают, при заполнении ячеек смесью, заанкеревание покрытия в основании дорожной одежды, за счет формирования в объеме ячеек пространственной решетки с наиболее однородным структурным распределением и плотной упаковкой зерен (Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ (искусственные строительные конгломераты)): Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1978 (с. 61-62).

Диаметр усеченной части основания конуса величиной в=2,15d₁ принят из расчета наиболее плотной упаковки 3-х наибольших зерен заполнителя асфальтобетонной смеси, что обеспечивает за счет их взаимного расклинивания повышенную устойчивость основания элемента заанкеривания дорожной одежды. При этом угол наклона боковой поверхности жесткого устройства (элемента заанкеривания) к его основанию величиной 60° создает условия, при которых размер основания, по мере изменения глубины заанкеривания (h_з) на величину, кратную 0,9d₁, соответственно изменяется на величину, кратную размеру диаметра (1,0d₁).

Таким образом, элемент заанкеривания дорожной одежды с боковой поверхностью, выполненной под углом 60° к его основанию, позволяет с учетом выявленных пропорций независимо от величины d_b обеспечить не только заданную форму элемента, но и его размеры, при которых достигается максимальная упаковка зерен заполнителя при уплотнении асфальтобетонной смеси.

Принятое соотношение размеров минимального диаметра отпечатка колеса автомобиля с параметрами несущих элементов заанкеривания дорожной одежды (условие 3), обеспечивает снижение напряжений, возникающих при воздействии автомобильной нагрузки, за счет разложения кинетической энергии путем размещения не менее 3-х несущих элементов в площади отпечатка колеса при М_з≥0,5 (где M_з - модуль поверхности заанкеривания покрытия в основании), что способствует повышению эксплуатационной устойчивости и долговечности дорожной одежды.

Наименьшее значение глубины объемного заанкеривания асфальтобетонной смеси принято равным минимальной толщины уплотненного слоя асфальтобетонного покрытия (не менее 2-х диаметров наибольшего зерна заполнителя) с учетом уменьшения толщины слоя заанкеривания на величину 0,5d₁ обеспечивающую его объединение со слоем покрытия, т.е. h_з=1,87d₁-0,5d₁=1,37d₁ (СП 34.13330.2012. Свод правил. Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85, п. 8.33). Значение наибольшей глубины заанкеривания слоя покрытия принято исходя из очевидной целесообразности максимального дислокационного формирования структуры цементобетонного основания при условии сохранения минимальной его толщины в местах расположения элементов заанкеривания дорожной одежды, равной 1,87d₂ при соблюдении условия 4.

Повышение долговечности дорожной одежды достигается при реализации выражения (5), полученного из условия термодинамического равновесия величины удельного теплосодержания заанкереваемых слоев дорожной одежды и удельной теплоты парообразования воды, при котором количество воды для увлажнения поверхности основания из цементобетонной смеси при укладке на него горячей асфальтобетонной смеси полностью переходит в пар (Бальва О.П. Физика. - М.: ЭКСМО, 2014, стр. 96-97). В результате на контакте слоев из асфальтобетонной и цементобетонной смесей создаются гидротермальные условия, которые обеспечивают:

- ускоренное твердение цементобетонной смеси за счет ее пикового режима высокотемпературной тепловлажностной обработки, что позволяет максимально сократить перерыв движения транспорта по строящемуся участку дороги и соответственно уменьшить затраты, связанные с необходимостью длительного ухода за твердением бетона (Баженов П.И., Суворова Г.Ф. Обработка строительных материалов паром высокого давления. - Л-д.: Госстройиздат, 1961, стр. 53, табл. 22);

- образование на контакте слоев покрытия и основания диспергированного битума и продуктов гидросиликатных цементирующих новообразований, способных к синтезированию органоминеральных соединений, которые в результате диффундирования в слои цементобетонной и асфальтобетонной смесей, формируют на контакте слоев дополнительную диффузионную композитную прослойку, повышающую несущую способность дорожной одежды за счет объемного склеивания слоев сопротивляться эксплуатационным нагрузкам (RU 2441961 С2. Бахрах Г.С. Способ холодной регенерации асфальтобетонных слоев дорожной одежды. 10.02.2012).

Использование белитового шлама в качестве материала для устройства основания обусловлено совокупностью технико-экономических преимуществ шлама по сравнению с обычным цементобетоном: отсутствием сроков схватывания в период строительства, способностью в процессе уплотнения приобретать прочность свыше 1,0 МПа, способностью к самоупрочнению в процессе эксплуатации основания, значительно низкой стоимостью и др. (Белоусов Б.В., Высоцкий Ю.Н. К решению проблем бездорожья. Автомобильные дороги. 2013, №9, стр. 79-80).

Практическое осуществление способа возведения дорожной одежды с заанкериванием слоев асфальтобетонного покрытия и цементобетонного основания заключается в следующем.

1. Устройство слоя основания из цементобетонной смеси производят по известной технологии, предусматривающей последовательное выполнение операций по приготовлению смеси, транспортированию ее к месту укладки на заблаговременно подготовленный подстилающий слой основания дорожной одежды или земляного полотна, распределение смеси на заданную толщину и ее уплотнению (Методические рекомендации по устройству оснований дорожных одежд из «тощего» бетона). - М., Росавтодор, 2003, с 11-17, пп. 6.1 - 6.2.13).

2. Создание волнистой поверхности ячеистой структуры основания путем вдавливания в незатвердевшую цементобетонную смесь и извлечения из нее вдавливающих устройств (штампов) в виде усеченных круглых прямых конусов или правильных усеченных пирамид дискретно (в разбежку) расположенных, например, на барабане кулачкового катка, производят в соответствии с расчетными параметрами, установленными в предлагаемом способе.

Пример определения технологических параметров реализации предлагаемого способа с использованием вдавливающих устройств в виде усеченных конусов.

Для установления параметров руководствуются условиями 1-5 с использованием перечня исходных данных, приведенных в таблице.

Установление параметров производят расчетно-экспериментальным методом путем последовательного выполнения следующих операций.

2.1. В соответствии с условиями 1 и 2 определяют максимальные значения расчетных параметров «h_з» и «а»:

h_з=h_o-1,87d₂=22-3,7=18,3 см;

а=в+2h_зctgα=2,15+2×18,3×0,58=23,3 см

Полученное значение параметра «а» требует корректирования, т.к. не отвечает условиям 3 и 4. Так, расчетная величина параметра «с», характеризующая дискретность ячеистой структуры поверхности основания, определенная из условия 3 при значении а=23,3 см, оказывается отрицательной, т.е. теряет физический смысл (30-46,3=-16,3 см).

Как показывают расчеты, удельный объем заанкеривания асфальтобетонного покрытия в цементобетонном основании при а=23,3 см составляет 20,8 %/м² основания, что более чем в 3 раза превышает пустотность цементобетонной смеси (6,3%), определенную в соответствии с Инструкцией по устройству цементобетонных покрытий автомобильных дорог. ВСН 139-68. Изд-во «Транспорт», 1968, стр. 73, т.е. также не соответствует условию 4, согласно которому объем заанкеривания не должен превышать величины пустотности цементобетонной смеси.

2.2. Выполняют корректировку полученной величины параметра «а» путем итерации (подбора) - поэтапного уменьшения максимального значения глубины заанкеривания (h_з) с соответствующим расчетом значения параметра «а» до установления его оптимальной величины, при которой обеспечивается соблюдение условий 3 и 4.

Проведенная корректировка полученных данных позволила установить следующие значения расчетных параметров для реализации предлагаемого способа:

- глубина заанкеривания асфальтобетонной смеси (h_з) - то же высота вдавливающего устройства (штампа), см, - 6,5;

- размер основания (диаметра конуса) элемента заанкеривания дорожной одежды (а) - то же размер основания вдавливающего устройства (штампа), см, - 9,6;

- расстояние между смежными элементами заанкеривания в поперечном и продольном направлениях дорожной одежды (с) - то же расстояние между смежными вдавливающими устройствами (штампами), см, - 10,8;

- размер усеченной части основания вдавливающего устройства и элемента заанкеривания дорожной одежды, см, - 2,15;

- угол наклона боковой поверхности элемента заанкеривания к его основанию (α), град, - 60.

2.3. Образование ячеистой поверхности цементобетонного основания путем вдавливания штампов производят при помощи кулачкового катка, параметры вдавливающих устройств (кулачков - штампов) и их расположение на барабане катка, выполнены в соответствии с исходными (в, α) и скорректированными (h_з, а, с) расчетными значениями, приведенными в таблице и п. 2.2.

Перед началом производства работ по результатам пробного вдавливания устанавливают рабочее давление катка, при котором, путем ступенчатого изменения массы катка, посредством соответствующего изменения массы балласта, при необходимости обеспечивают расчетную глубину вдавливания штампов (h_з) без деформирования поверхности основания в виде выпора цементобетонной смеси.

Создание ячеистой поверхности основания осуществляют за один проход катка по одному следу путем последовательного возвратно-поступательного перемещения катка от одной кромки основания до другой. При этом каждый последующий проход катка производят без перекрытия предыдущего прохода на таком расстоянии, при котором размер между смежными элементами заанкеривания (с) составляет 10,8 см.

3. Увлажнение волнистой поверхности основания ячеистой структуры выполняют путем распределения расчетного количества воды с использованием известного оборудования, применяемого, например, для мелкодисперсного дождевания.

Для расчета количества воды (В) используют выражение 5:

,

где

- Q₁=m₁с₁ (t₁-t₂) - количество теплоты, содержащейся в асфальтобетонной смеси перед ее укладкой на цементобетонное основание, кДж/кг·°С/м²;

- Q₂=m₂c₂t₃ - количество теплоты в слое цементобетонного основания, кДж/кг·°С/м²;

- L - удельная теплота парообразования воды, кДж/кг.

Подставляя значения показателей в формулы, получим:

- Q₁ = 90 кг/м² × K × 1,03 кДж/кг·°C × (160-25)°C = 13766,0 кДж/м²,

где K - коэффициент, учитывающий увеличение массы асфальтобетонной смеси в объеме заанкеривания (1,10);

- Q₂ = 440 кг/м² × 1,1 кДж/кг·°C × 25°C = 12100,0 кДж/м².

Тогда .

4. Устройство асфальтобетонного покрытия производят по известной технологии, предусматривающей приготовление и укладку асфальтобетонной смеси (СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги». - М.: ГУП ЦПП, 2003, с. 57-65).

Использование предлагаемого способа возведения дорожной одежды с заанкериванием слоев асфальтобетонного покрытия и цементобетонного основания позволяет повысить долговечность дорожной одежды за счет увеличения ее потенциальной энергии, энергии структурных связей цементобетона и композитного объемного объединения слоев, а также уменьшить напряжения, возникающие в дорожной одежде от воздействия подвижной нагрузки, путем направленного разложения кинетической энергии.