СПОСОБ УСТРОЙСТВА ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к устройству асфальтобетонных покрытий при ремонте и капитальном ремонте (реконструкции) цементобетонных покрытий автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, покрытий мостов, а также может быть использовано при новом строительстве автомобильных дорог высоких категорий.

Известен способ устройства дорожного покрытия, согласно которого проводят укладку, последовательно располагая на дорожном основании выравнивающий слой из шлаковой асфальтобетонной смеси, затем промежуточный трещинопоглощающий слой геосетки, выполненный из стеклонитей и обработанный отходами коксохимического производства. В качестве третьего слоя производят укладку слоя из шлаковой асфальтобетонной смеси, выполняющей роль несущего нагрузку слоя (см. патент России №2144106, опубликован 26.01.2000, МКИ Е01С 7/18).

Указанный способ устройства позволяет получить дорожное покрытие, которое обладает высокими прочностными характеристиками, однако под воздействием деформирующих усилий, которые возникают в результате температурного воздействия окружающей среды и динамического воздействия колес автомобилей, приводят со временем к появлению в выравнивающем слое из шлаковой асфальтобетонной смеси микротрещин и иных разрушений его структуры. В результате выравнивающий слой не способен долгосрочно сохранять свои первоначальные характеристики, что влияет на последующие нарушения структуры несущего нагрузку слоя, то есть приводит к появлению в несущем нагрузку слое трещин, выбоин и другого рода разрушений.

Известен наиболее близкий к заявляемому способ устройства дорожного покрытия, принятый в качестве прототипа, который предусматривает укладку дорожного покрытия, включающего расположение на старом дорожном покрытии комбинированного трещинопрерывающего слоя, в состав которого входит геосетка низкой прочности, воспринимающая растягивающие напряжения от основания, затем слой эластичной мембраны, содержащий в своем составе смеси каучука в указанном диапазоне, и геосетка высокой прочности, передающая напряжения возникающие в несущем слое покрытии эластичной мембране, и последующую укладку несущего нагрузку слоя из асфальтобетона (см. патент США №5513925, опубликованный 05.07.96, МКИ Е01С 7/00).

Недостатками известного дорожного покрытия является то, что в составе эластичной мембраны комбинированного трещинопрерывающего слоя, поглощающего напряжения, рекомендовано использовать слой битумного вяжущего. В результате названое дорожное покрытие неустойчиво к трещинообразованию, сдвиговым и растягивающим деформирующим усилиям, возникающим в несущем нагрузку слое покрытия при проезде автомобильного транспорта. Поэтому для сохранения структуры несущего нагрузку слоя к длительной эксплуатации без трещинообразования необходимо проводить укладку несущего нагрузку слоя покрытия повышенной прочности.

К тому же при горячей укладке несущего нагрузку слоя на нижележащие слои, возможно выпотевание избытка битумного вяжущего из слоя эластичной мембраны через ячейки геосетки в несущий нагрузку слой покрытия, т.е. образование битумных пятен на поверхности последнего, что приводит к его размягчению и потери прочности.

Также недостатком известного дорожного покрытия является то, что в названом дорожном покрытии рекомендовано использование двух слоев геосетки с различными прочностными характеристиками. Причем перед укладкой нижнего слоя геосетки необходимо произвести восстановление ровности и несущей способности старого дорожного покрытия методами и средствами, применяемыми при ремонте.

Таким образом, при выполнении указанного дорожного покрытия необходимо предварительно производить ремонт существующей дорожной одежды, укладку дополнительного слоя геосетки, а также укладку несущего слоя покрытия повышенной прочности, что влияет на увеличение общей статьи затрат предлагаемого дорожного покрытия.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение устойчивости нового дорожного покрытия к горизонтальным сдвиговым и растягивающим деформирующим усилиям, возникающим в старом цементобетонном покрытии (дорожное основание) в результате температурного воздействия окружающей среды как суточного, так и годового, а также к вертикальным деформирующим усилиям, возникающим со стороны движущегося автомобильного транспорта, при одновременном снижении суммарных затрат на обустройство дорожного покрытия. Общим результатом вышесказанного является повышение устойчивости к отраженному трещинообразованию и увеличение срока эксплуатации при минимальных затратах.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе устройства дорожного покрытия, включающем укладку на дорожное основание комбинированного трещинопрерывающего слоя, в состав которого введена эластичная мембрана, а поверх нее - армирующая геосетка высокой прочности, и последующую укладку поверх комбинированного трещинопрерывающего слоя несущего покрытия, выполненного из асфальтобетонной смеси, согласно изобретению укладку комбинированного трещинопрерывающего слоя производят на предварительно подготовленное дорожное основание, подготовка которого предусматривает деление основания на ряд отдельных составляющих элементов как по длине, так и по ширине, с последующим их уплотнением и посадкой на грунт земляного полотна, а в качестве эластичной мембраны в состав комбинированного трещинопрерывающего слоя введен выравнивающий слой, состоящий из асфальтобетонной смеси с комплексным органическим вяжущим, состав которого подбирают с температурой хрупкости, равной минимальной температуре наиболее холодных суток района эксплуатации, при этом армирующая геосетка изготовлена из стекломатериала, обладающего низкой степенью деформативности, близкой к деформативности несущего покрытия.

Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что согласно варианта способа подготовку дорожного основания осуществляют в виде деления его на блоки с размерами сторон в пределах 1,5-2,5 м и преимущественно при новом строительстве или при незначительной степени разрушения старого дорожного покрытия.

Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что согласно другого варианта подготовку дорожного основания осуществляют в виде деления его на фрагменты с размерами элементов 200-250 мм и преимущественно при сильной степени разрушения старого дорожного покрытия.

Согласно указанных вариантов способа комбинированный трещинопрерывающий слой выполнен толщиной в пределах 20-40 мм.

Решение поставленной технической задачи достигается также тем, что согласно указанных вариантов способа в состав органического вяжущего асфальтобетонной смеси выравнивающего слоя введена дробленая резина в количестве 5-10% от общего содержания органического вяжущего.

Достижение поставленной технической задачи, а именно повышение устойчивости дорожного покрытия к горизонтальным сдвиговым и растягивающим, а также вертикальным деформирующим усилиям, позволяющим в итоге повысить устойчивость несущего покрытия к трещинообразованию при длительной эксплуатации, при одновременном обеспечении снижения суммарных затрат на устройство такого дорожного покрытия, достигается благодаря операции по подготовке дорожного основания в виде отдельных составных элементов, либо в виде блоков, либо в виде более мелких фрагментов. Именно это позволяет уменьшить горизонтальные перемещения дорожного основания, вызываемые суточными или годовыми колебаниями температуры.

Предлагаемое условие, касающееся уплотнения и посадки элементов деления дорожного основания на грунт земляного полотна, позволит уменьшить и первопричину изначальных вертикальных перемещений блоков и фрагментов деления. Кроме того, используемые в составе комбинированного трещинопрерывающего слоя выравнивающий слой и армирующая геосетка позволяют одновременно придать комбинированному трещинопрерывающему слою эластичные и прочностные свойства благодаря поглощению этими составляющими вертикальных и горизонтальных напряжений со стороны старого дорожного основания, а также со стороны несущего нагрузку от движущегося автотранспорта покрытия. Кроме того, подбор материалов комбинированного слоя учитывает влияние температурного фактора района эксплуатации дорожного покрытия.

Способ устройства дорожного покрытия поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства дорожного покрытия в случае подготовки дорожного основания при незначительной степени его разрушения, а на фиг.2 представлена схема устройства дорожного покрытия в случае подготовки дорожного основания при сильной степени его разрушения.

Дорожное покрытие, выполненное согласно предлагаемому способу, содержит дорожное основание 1, на которое уложен комбинированный трещинопрерывающий слой (на чертеже не обозначен). В состав комбинированного слоя в качестве эластичной мембраны введен выравнивающий слой 2 и армирующая геосетка 3. Верхний слой дорожного покрытия представляет собой несущее покрытие 4, выполненное из асфальтобетонной смеси. Дорожное основание 1 может быть выполнено из отдельных составных элементов в виде блоков 5 (см. фиг.1) либо в виде фрагментов 6 (см. фиг.2).

Появление дефектов в слоях усиления из асфальтобетонных смесей, укладываемых на цементобетонное покрытие (дорожное основание), является результатом горизонтальных и вертикальных перемещений. Горизонтальные перемещения в большей степени связаны с деформациями цементобетонных покрытий, возникающих в результате сезонных и суточных перепадов температур, особенно в суровых климатических условиях. Вертикальное перемещение цементобетонного покрытия вызвано просадкой плит относительно друг друга с образованием уступов на пучинистом грунте земляного полотна под воздействием нагрузки от движущегося автомобильного транспорта.

Способ устройства дорожного покрытия включает укладку на дорожное основание 1 комбинированного трещинопрерывающего слоя, в состав которого в качестве эластичной мембраны введен выравнивающий слой 2, а поверх него уложена армирующая геосетка 3. Наличие в комбинированном трещинопрерывающем слое такой составляющей, как выравнивающий слой 2, необходимо, поскольку он позволяет устранить неровности, а также обеспечить поглощение возникающих в процессе эксплуатации горизонтальных и вертикальных деформаций дорожного основания 1 и, таким образом, имеет важное свойство, позволяющее за счет своей эластичности и упругости снижать уровень напряжений, которые могут вызвать зарождение и развитие трещин, что приведет к разрушению несущего покрытия 4. Наличие в комбинированном трещинопрерывающем слое другой составляющей - армирующей геосетки 3, позволяет также предотвратить передачу деформирующих напряжений как выравнивающему слою 2, так и несущему покрытию 4, добавляя необходимую прочность выравнивающему слою 2. Несущее покрытие 4 выполнено из асфальтобетонной смеси и размещено в результате его последующей укладки поверх комбинированного трещинопрерывающего слоя.

Согласно изобретению укладку комбинированного трещинопрерывающего слоя производят на предварительно подготовленное дорожное основание 1. Подготовка дорожного основания 1 предусматривает деление цементобетонного покрытия на ряд отдельных составных элементов как по длине, так и по ширине, в виде блоков 5 (см. фиг.1) либо в виде фрагментов 6 (см. фиг.2) с последующим уплотнением их и посадкой на грунт земляного полотна (на чертеже грунт земляного полотна не обозначен). Деление дорожного основания 1 на ряд отдельных составных элементов - важный момент способа. Принцип такого подхода заключается в значительном уменьшении эффективной длины и ширины плит цементобетонного покрытия, что, в свою очередь, ведет к минимуму горизонтальных смещений границ плиты, вызванных колебанием температуры. Уплотнение и посадку на грунт земляного полотна элементов дорожного основания 1 осуществляют, используя тяжелые пневматические катки. Эта операция необходима для устранения уступов дорожного основания 1 и для восстановления контакта между грунтом земляного полотна и отдельными элементами, на которые делят цементобетонное покрытие, а также для создания в цементобетонном покрытии плотно сжатых трещин, позволяя нагрузке передаваться от одного фрагмента к другому с тем, чтобы снижение его несущей способности после фрагментации было минимальным. Таким образом, при устройстве указанного дорожного покрытия нет необходимости производить предварительный дорогостоящий ремонт существующего цементобетонного покрытия.

Для устранения горизонтальных и вертикальных перемещений в дорожном покрытии производят укладку комбинированного трещинопрерывающего слоя. В состав комбинированного трещинопрерывающего слоя в качестве эластичной мембраны введен выравнивающий слой 2, выполненный из асфальтобетонной смеси с комплексным органическим вяжущим, состав которого подбирают с температурой хрупкости, равной минимальной температуре наиболее холодных суток района эксплуатации, при этом руководствуются известными данными о свойствах комплексного вяжущего [1].

Выравнивающий слой, выполненный из асфальтобетонной смеси, в значительной степени гасит возникающие подвижки и деформации дорожного основания 1, а также обеспечивает достаточную эластичность при пониженных температурах. Одновременно с этим выполненная в таком составе эластичная мембрана действительно обладает выравнивающими свойствами, так как при ее укладке в разогретом состоянии заполняются выбоины, сколы швов, сколы углов, уступы, раковины и шелушение отдельных составных элементов дорожного основания 1.

Входящая в состав комбинированного трещинопрерывающего слоя армирующая геосетка 3 изготовлена из стекломатериала, обладающего высокой прочностью при растяжении - 100÷200 кН/м и низкой деформативностью при разрыве меньше - 1÷3%. Как правило, такие армирующие геосетки работоспособны в широком диапазоне температур -60°C÷+400°C согласно техническим условиям [2], т.е. обладают способностью сохранять свои физико-механические свойства в указанном интервале температур. Наличие армирующей геосетки необходимо для предотвращения передачи деформирующих усилий как несущему покрытию 4, так и выравнивающему слою 2. Армирование выравнивающего слоя 2 геосеткой из стекломатериала позволяет уменьшить чувствительность покрытия вблизи поверхности к изменению температуры, создать сопротивление несущего покрытия сжимающим нагрузкам от движущегося автотранспорта и предотвратить появление в нем усталостных трещин, образовать тонкий вязкоэластичный слой, водонепроницаемую мембрану, а также компенсировать пониженное значение модуля упругости выравнивающего слоя, придать прочность и сдвигоустойчивость несущему слою покрытия, что в итоге позволит замедлить распространение трещин как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Для сохранения своих функций геосетку следует подбирать, учитывая тот факт, что геосетка не должна при контакте с горячим асфальтобетоном терять прочность и не вступать в химические реакции (у геосеток из стекловолокна пластичность проявляется при температуре больше +400°С) [2].

Согласно одного из вариантов осуществления способа подготовку дорожного основания 1 осуществляют в виде деления его на блоки 5 с размерами сторон в пределах 1,5÷2,5 м и преимущественно при незначительной степени разрушения старого дорожного покрытия, т.е. в случае его ремонта, принимая старое дорожное покрытие в качестве дорожного основания 1. При этом операцию деления дорожного основания 1 на блоки 5 с размерами в указанных пределах осуществляют с применением нарезчиков швов или гильотины.

Следует уточнить, что комбинированный трещинопрерывающий слой может быть создан как на старом дорожном покрытии, имеющем трещины и другие повреждения, так и на новом, предварительно подготовленном дорожном покрытии, после укладки конструктивного слоя дорожного основания в виде блоков или в другом случае - промежуточных опорно-несущих элементов. При этом дорожное основание 1 может быть выполнено из монолитного бетона, железобетона, поделенного на блоки, или представлять собой сборную конструкцию из бетонных или железобетонных блочных плит, а также может быть сборно-монолитным.

Целесообразность выбора размеров сторон блоков 5 определяется исходя из годовой амплитуды колебания температур района эксплуатации, что позволяет уменьшить минимально допустимую толщину укладываемого несущего покрытия из асфальтобетонной смеси [3].

Указанный для отдельных блоков интервал размеров сторон, а именно 1,5÷2,5 м, оптимален для цементобетонных покрытий с длиной плит 4,5; 6; 7,5; 9; 12; 15 м и имеющих незначительную степень разрушения.

Согласно другого варианта осуществления способа подготовку дорожного основания 1 осуществляют в виде деления его на фрагменты 6 с размерами элементов в пределах 200-250 мм и преимущественно при сильной степени разрушения старого дорожного покрытия. В этом случае могут быть применены виброрезонансные бетоноломомы. При этом фрагментированное таким образом старое, сильно разрушенное покрытие, будет дополнительно выполнять роль дренирующего слоя при попадании воды через несущее покрытие в случае образовавшейся в нем трещины или иных дефектов.

Указанный интервал размеров фрагментов 6 обусловлен созданием дорожного основания после виброразрушения с модулем упругости на его поверхности 300-500 МПа.

Согласно изобретению применительно к любому варианту способа при его использовании комбинированный трещинопрерывающий слой может быть выполнен толщиной в пределах 20±40 мм в уплотненном состоянии.

При этом выбор меньших значений толщины указанного слоя, близких к 20 мм, наиболее предпочтителен при незначительной степени разрушения дорожного покрытия, а выбор больших значений толщины, близких к 40 мм, наиболее применимы при значительной степени разрушения дорожного покрытия.

Согласно изобретению в качестве варианта осуществления способа в состав органического вяжущего асфальтобетонной смеси выравнивающего слоя 2 введена дробленная резина в количестве 5÷10% от общего содержания органического вяжущего.

Введение такой добавки позволяет повысить эластичность асфальтобетонной смеси в более широком интервале температур. При высоких положительных эксплуатационных температурах это означает большую способность асфальтобетонного слоя к работе в упругой стадии, что предопределяет меньшую склонность к накоплению остаточных деформаций, а при отрицательных температурах - большую деформативную способность, а следовательно, повышенную трещиностойкость. Наиболее отчетливо эластичность асфальтобетонов проявляется при периодически повторяющихся циклах нагрузка-разгрузка, а также присутствие резины в наибольшей степени сказывается на снижении динамического модуля упругости асфальтобетона при отрицательных температурах.

Предлагаемое количественное содержание добавки в виде дробленой резины обеспечивает повышение адгезионных свойств, расширение интервала пластичности, увеличения упругих свойств вяжущего и в целом эксплуатационных характеристик асфальтобетонов [1].

В качестве добавки для улучшения свойств используемого вяжущего выравнивающего слоя 2 можно использовать, например, каучук, различные виды резиновой крошки, в том числе и от утилизированных автомобильных покрышек, а также отходы резиновой промышленности.

Последним укладываемым слоем является несущее покрытие 4 из асфальтобетонной смеси по ГОСТ 9128-98, обеспечивающее прочность поверхности дорожного покрытия при контакте с автотранспортом.

Проиллюстрировать возможности предлагаемого изобретения можно с помощью сравнительных данных, приведенных по результатам численного анализа модельной задачи, отражающей распределения напряжений и деформаций в исследуемых конструкциях дорожных одежды при статическом нагружении. Результаты модельной задачи приведены в таблице.

Из результатов, приведенных в таблице, видно, что перемещения и напряжения слоев дорожной конструкции как при воздействии нагрузки автомобильного транспорта - нагружение ⁽*⁾, так и при воздействии температуры окружающей среды - нагружение ⁽**⁾ по предлагаемому способу варианта блочного дорожного основания меньше, чем по прототипу. Это свидетельствует о том, что по предлагаемому способу разрушения несущего слоя произойдут значительно позже, чем по прототипу. К тому же по предлагаемому способу варианта фрагментированного дорожного основания перемещения и напряжения слоев дорожной конструкции значительно меньше, чем по варианту способа блочного дорожного основания, так как уменьшение фрагментов дорожного основания ведет к минимуму горизонтальных смещений вышележащих слоев, вызванных колебанием температуры.

При анализе затрат на осуществление изобретения можно отметить, что по сравнению с прототипом способ позволяет исключить предварительный дорогостоящий ремонт, необходимость которого вызвана устранением неровностей поверхности дорожного основания перед укладкой геосетки низкой прочности в случае прототипа, так как в предлагаемом способе выравнивающий слой непосредственно укладывается поверх дорожного основания, и тем самым позволяет устранить неровности и повреждения отдельных составных элементов дорожного основания.

Кроме этого в конструкции комбинированного трещинопрерывающего слоя используется только одна геосетка, а не две, как в прототипе.

Помимо прочего, снизить общие затраты на осуществление способа позволяет использование в качестве добавки, улучшающей свойства асфальтобетонной смеси выравнивающего слоя в целом, таких материалов как дробленная резина от отходов резиновой промышленности или от утилизированных автомобильных покрышек.

Несмотря на экономию ресурсов, дорожное покрытие обладает высокой устойчивостью к горизонтальным сдвиговым и растягивающим деформирующим усилиям, возникающим в дорожном основании в результате температурного воздействия окружающей среды, а также к вертикальным деформирующим усилиям, возникающим со стороны движущегося автотранспорта. Одновременно с этим способ позволяет снизить общие затраты на обустройство такого дорожного покрытия. Предлагаемое покрытие после длительной эксплуатации сохраняет верхнее несущее нагрузку покрытие без появления отраженных трещин или с минимальным их количеством.

Использованная литература

1. Отраслевой дорожный методический документ. Рекомендации по применению битумно-резиновых композиционных вяжущих материалов для строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог. М.: 2003.

2. ТУ 2296-004-32978724-2004. Композиционная стеклянная геосетка "АРМДОР^®К". ООО "Стекло-Прогресс".

3. "Аэропорты. Прогрессивные технологии". Макагонов В.А. Основные принципы устройства асфальтобетонных слоев по цементобетонным покрытиям. - М.: №1, 2002 г., 2-4 с.