Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Технологии и оборудование для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью 15
1.1 Научно-технический обзор технологий и машин для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью 15
1.2 Особенности конструкции и технологии применения современных битумощебнераспределителей 22
1.3 Дорожные противогололедные покрытия с шероховатой поверхностью: конструкции, материалы и технологии устройства 30
1.4 Состояние вопросов проектирования макрошероховатых дорожных покрытий 39
1.5 Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2 Научные основы нормирования, устройства и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий 52
2.1 Нормирование макрошероховатых дорожных покрытий 52
2.2 Определение толщины шероховатого слоя покрытий автомобильных дорог 66
2.3 Научные основы нормирования шероховатых поверхностей дорожных покрытий 69
2.4 Анализ близких аналогов нормирования макрошероховатых дорожных покрытий 80
2.5 Анализ изменения параметров макрошероховатости щебеночно-мастичного асфальтобетона 83
2.6 Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона 85
2.7 Анализ структуры типовых цифровых моделей автомобильных дорог 91
2.8 Построение статистических моделей геометрии участков автомобильных дорог на основе цифровых моделей 93
2.9 Обоснование новых параметров геометрических характеристик макрошероховатого дорожного покрытия 99
2.10 Выводы по главе 2
ГЛАВА 3 Исследование эффективности освоения прогрессивных технологий устройства макрошеро- ховатых дорожных покрытий на объектах дорожного хозяйства 109
3.1 Задачи мониторинга мероприятий по восстановлению сцепных качества дорожных покрытий 109
3.2 Мониторинг применения прогрессивных технологий дорожного хозяйства 118
3.3 Выводы 129
ГЛАВА 4 Практические результаты по исследованию, устройству и контролю качества макрошероховатых поверхностей 130
4.1 Построение плана и микропрофиля автомобильной дороги по данным с передвижной диагностической лаборатории 130
4.2 Лабораторные исследования антигололедных дорожных покрытий с макрошероховатой поверхностью 132
4.3 Устройство антигололедных дорожных покрытий с шероховатой поверхностью 135
4.4 Исследования макрошероховатости литого асфальтобетона 145
4.5 Выводы по главе 4 149
Основные выводы и результаты 150
Список использованных источников 152
Приложения 165
- Дорожные противогололедные покрытия с шероховатой поверхностью: конструкции, материалы и технологии устройства
- Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона
- Мониторинг применения прогрессивных технологий дорожного хозяйства
- Лабораторные исследования антигололедных дорожных покрытий с макрошероховатой поверхностью
Введение к работе
Существенным резервом управления сцепными качествами дорожных покрытий является применение современных передовых технологий, высокотехнологичных приборов, оборудования и лабораторий. Методическая база работ по контролю качества дорожных покрытий в целом отражает сложившийся опыт проведения работ, однако она существенно устарела, не гармонизирована с зарубежными нормами, что затрудняет их применение в отечественной практике [9-16, 19, 20, 62, 85, 86 ].
Подпрограммой «Автомобильные дороги» ФЦП «Модернизация транспортной системы России» (2002-2010 годы) предусмотрено расширить создание и использование систем мониторинга транспортно-эксплуатационного состояния федеральных дорог и мостов с применением современных информационных технологий в целях оптимизации на основе адресного и эффективного планирования работ по ремонту и содержанию федеральной дорож-иой сети, обеспечения ее сохранности.
Считается установленным факт влияния изменения параметров макрошероховатости на изменения коэффициента сцепления дорожного покрытия. Существенные резервы в обеспечении качества макрошероховатых дорожных покрытий могут быть выявлены за счет совершенствования методов нормирования геометрических параметров макрошероховатости дорожного покрытия и их учете при использовании щебнераспределителей [3, 7, 28, 43, 72, 95, 96].
На сегодняшний день к одной из серьезных проблем в дорожном хозяйстве относится отсутствие развитой системы мониторинга и полной базы данных о продуктах инновационной деятельности в дорожном хозяйстве Российской Федерации. Встает задача концентрации имеющихся информационных ресурсов и создания программных средств. К инновационным проектам в дорожном хозяйстве относится использование новых высокопроизводительных передвижных дорожных диагностических лабораторий, современных технологий диагностики автомобильных дорог и искусственных сооружений на них, современных приборов и лабораторного оборудования, новых форм организации труда [41, 100, 111].
Работа выполнялась по Плану информационного обеспечения Федерального дорожного агентства в рамках Программного проекта «Информационное обеспечение» Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России на 2002-2010 годы» [1, 107, 116].
Поэтому задача создания научных основ нормирования, устройства и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий является актуальной.
Объект исследований: геометрия активных выступов и глубин впадин макрошероховатого дорожного покрытия. К таким покрытиям относятся цветные покрытия противоскольжения, покрытия пешеходных мостов, антигололедные дорожные покрытия с шероховатой поверхностью, взъзды для маломобильных групп населения,
Предметом исследования является информационный поток данных по цифровым значениям статистических рядов макрошероховатых дорожных покрытий.
Цель исследований: совершенствование научных основ нормирования, устройства и автоматизированного контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий на основе применения новых параметров нормирования и использования передвижных дорожных диагностических лабораторий.
Задачи исследований. В соответствии с идеей и поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
провести аналитический обзор технологий и машин для устройства макрошероховатых дорожных покрытий, выявить основные доминирующие факторы и параметры различной природы, определяющие снижение макрошероховатости и коэффициента сцепления дорожного покрытия;
провести мониторинг изменения сцепных качеств дорожных покрытий федеральной сети автомобильных дорог с учетом применения прогрессивных технологий и данных АБДД «ДОРОГА»;
разработать структуру отраслевого банка данных мониторинга перспективных технологий и получить результаты анализа эффективности устройства макрошероховатых дорожных покрытий на его основе;
разработать научное обеспечение нормирования, устройства и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий на основе новых показателей нормирования, новых методов и средств измерения;
разработать структуру математической модели выделения систематической составляющей из числового ряда высот активных выступов макрошеро- ховатого покрытия и провести математическое моделирование разделения числового ряда на детерминированную, коррелированную и случайную составляющие;
обосновать, как пример, максимальную разновысотность антигололедного дорожного покрытия SafeLane.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
проведен мониторинг изменения сцепных качеств дорожных покрытий федеральной сети автомобильных дорог с учетом применения прогрессивных технологий и данных АБДД «ДОРОГА»;
разработана структура и получены результаты анализа эффективности устройства макрошероховатых дорожных покрытий на основе отраслевого банка дорожных данных применения прогрессивных технологий;
разработано научное обеспечение нормирования и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий на основе нового показателя нормирования: знакочередования высот активных выступов относительно их средней линии как оценки Pix автокорреляционной функции. Его предлагается использовать при обеспечении равномерного распределения щебня при использовании щебнераспределителей;
предложено оригинальное представление статистической цифровой модели измерения макрошероховатости на локальном участке (до 15 м) состоящей из детерминированной (уклон), коррелированной (нормативные периодические составляющие и периодические отклонения от ровности) и собственно случайные составляющие (искомые значения макрошероховатости):
разработана структура математической модели выделения систематической составляющей из числового ряда высот активных выступов макроше- роховатого покрытия и проведено на ее основе .математическое'моделирование разделения числового, ряда на детерминированную, коррелированную и случайную составляющие;
обоснована максимальная разновысотность однослойного и двухслойного антигололедного дорожного покры тия БаГеЬапе. .
На защиту выносятся:
. 1. Перечень требуемых нормативных геометрических показателей шероховатости для макрошероховатых дорожных покрытий.
2. Результаты аналитического обзора технологий для устройства макрошероховатых дорожных покрытии. Выявлены наиболее эффективные их них.
. 3. Результаты мониторинга изменения сцепных качеств дорожных покрытий федеральной сети автомобильных дорог с учетом применения прогрессивных технологий и данных АБДД «ДОРОГА».
4. Структура, и результаты использования отраслевого банка дорожных данных применения прогрессивных технологий.
4. Научное обеспечение нормирования и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий на основе новых показателей нормирования:
знакочередование высот активных выступов относительно их средней линии как оценка их автокорреляционной функции; ,
оценка относительной макрошероховатости дорожного покрытия на основе максимальных разновысотности активных выступов щебня и разноглубин- ности впадин шероховатости; V
автоматизированный метод определения параметров относительной максимальной шероховатости с помощью передвижных дорожных лабораторий, оснащенных лазерным датчиком и разработанной программой определения параметров макрошероховатости «Шероховатость-2008» [104]; , - метод выделения полезного сигнала из цифровой модели автомобильной дороги для выделения детерминированной и коррелированной составляющей из сигнала с датчика измерения макрошероховатости дорожного покрытия.
5. Структура математической модели выделения систематической составляющей из числового ряда высот активных выступов макрошероховатого покрытия и результаты ее применения;
Практическая ценность: реализация результатов работы осуществлена в Комплексном информационно-аналитическое обеспечения Росавтодора о передовом отечественном и зарубежном опыте проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, управлении дорожным хозяйством, прогрессивных технологиях и материалах (с подготовкой экспертных заключений, аналитических и справочных материалов) с формированием раздела интернет- сайта Росавтодора «Все о дорогах». Осуществлены модернизация и ведение автоматизированного справочно-информационного фонда переводов публикаций зарубежных периодических изданий по вопросам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Разработан информационный сборник о применении прогрессивных технологий в органах управления дорожным хозяйством [111]. Проведены работы по разработке стандарта организации и устройству антигололедных дорожных покрытий в г. Зеленограде [104, 113]. Осуществлена модернизация программно-аппаратного комплекса контроля качества макрошероховатости дорожных покрытий «Шероховатость 2008».
Результаты исследований используются в учебном процессе в СГТУ при изложении вопросов ремонта и содержания дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Методы и средства исследований: методы содержания автомобильных дорог, методы обеспечения безопасности дорожного движения, метрологическое обеспечение, методы и технические средства экспериментальных исследований и обработки статистических данных, методы демонстрационных испытаний и др.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается хорошим согласованием результатов теоретического и вычислительного моделирования с результатами практических и экспериментальных работ, проверкой полученных моделей с реальным изменением входных и выходных параметров, соответствием с методичес-кими подходами в близких и смежных отраслях науки и техники.
Апробация. Основные научные положения и результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском научно-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (Саратов, 2005), Всероссийском научно-практическом семинаре «Новые технологии проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» (Владимир, 2006), Международной научно-практической конференции «Разметка автомобильных дорог: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов, 2007), Всероссийском научно-практическом-семинаре «Современные стратегии зимнего содержания автомобильных дорог» (Санкт-Петербург, 2008), на круглом столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и содержании конструкционных элементов мостовых сооружений (Санкт-Петербург, 2009), во Всероссийском научно-техническом семинаре «Применение прогрессивных технических решений при строительстве автомобильных дорог», Всероссийских совещаниях дорожников в г. Астрахани (2007), Санкт-Петербурге (2008), Казани (2009), Всероссийской научно-технической конференции журнала «Строительные материалы» «ДОР-СМ: Материалы для дорожного строительства» (Москва, 2009), заседаниях научно-технического совета ФГУП «РОСДОРНИИ» и кафедр «Мосты и транспортные сооружения» и «Строительство дорог и организация движения» СГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 7 - в изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 125 наименований и приложений. Работа изложена на 164 страницах и 14 страницах приложений.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации по главам.
В первой главе представлен аналитический обзор вопросов летнего содержания автомобильных дорог и безопасности дорожного движения. Вопросами нормирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью занимались в Федеральном дорожном агентстве, МАДИ(ГТУ), ОАО «ГИПРОДОРНИИ», ФГУП «РОСДОРНИИ», ОАО «СОЮЗДОРНИИ», ОАО «КАЗДОРНИИ», ОАО «РОСДОРТЕХ», Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, СГТУ, ООО «Зиракс» и других организациях. Широко известны результаты исследований А. П. Васильева, М. В. Немчинова, П. И. Поспелова, И. Е. Евгеньева, Б. Б. Каримова, В. В. Столярова, С. И. Романова, И. Г. Овчинникова, Ю. В. Кузнецова, А. А. Сербиненко, А. В. Кочеткова, М. Л. Ермакова и других [2, 6, 15, 83, 91, 92, 70, 89, 91]. Известны работы Массачусетского технологического института США, Центральной лаборатории дорог и мостов Франции, ученых и специалистов Финляндии, Швеции, Канады и других стран [112, 117-125].
На практике наиболее распространена однослойная поверхностная обработка с однократным распределением вяжущего и щебня, которая применяется для создания шероховатой поверхности и слоя износа дорожной одежды с достаточной прочностью. Это самый распространенный вид шероховатой поверхностной обработки, наиболее подходящий для всех видов движения. Чаще всего она устраивается из щебня фракций 5-10, 10-15 мм. Такая конструкция дорожных покрытий относится к макрошероховатым. Проводится аналитический обзор по современным технологиям и дорожным машинам для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Проводится анализ нормативно-методических документов и состояния технической литературы по вопросу исследований.
Во второй главе разрабатываются научные основы нормирования и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий.
ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхностей [21] распространяется на шероховатость поверхности изделий независимо от их материала и способов изготовления или получения поверхности и, соответственно, распространяется на устройство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. Устанавливается перечень параметров и типов направлений неровностей, которые должны применяться при установлении требований и контроле шероховатости поверхности, числовые значения , параметров и общие ' указания по установлению требований к шероховатости поверхности. :
Аналитически обосновано,, что в реальных условиях: при реальных самых разнообразных формах и размерах элементов шероховатости при реальной плотности их компоновки (самой различной), метод «песчаного пятна» может дать самые невероятные результаты, но только не среднюю величину впадин (или выступов). Определены математические зависимости определения толщины шероховатого слоя дорожных покрытий. , /
ГОСТ 2789-73 распространяется на шероховатость поверхности изделий независимо от их материала и способов изготовления или получения поверхности и, соответственно, распространяется на устройство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. Стандарт устанавливает перечень параметров и типов направлений неровностей, которые должны применяться при установлении требований и контроле шероховатости, числовые значения параметров и общие указания по установлению требований к шероховатости поверхности.
Разработана процедура! синтеза математической модели в виде последовательности отклонений мест измерения дорожного покрытия.'
В результате выполнения процедуры получают численные значения всех параметров математической модели для последовательности отклонений мест измерения дорожного покрытия. ; '
При участии автора был разработан программный модуль формирования оценок математической модели.
Установлено, что критерий диагностирования или качества., устройства макрошероховатого дорожного покрытия будет определяться отсутствием корреляции в последовательности знаков, когда случайная последовательность знаков будет декоррелирована. Это может быть достигнуто, например, обеспечением качеством перемешивания или управление равномерным распределением зерен щебня на направляющей щебнераспределителя с помощью вибродеки. Оценка нормированного коэффициента корреляции соседних знаков может быть проведена с помощью оценки корреляции типа «знак-знак».
В качестве критерия адаптации был выбран нормированный коэффициент корреляции соседних высот активных выступов макрошероховатости.
Оценка нормированного коэффициента корреляции может вычисляться по нескольким предыдущим знакам отклонения высоты активных выступов от средней линии. Аналогично можно продолжить рассмотрение сочетаний знаков и для выборки из пяти и более знаков выступов активных выступов макрошероховатости дорожного покрытия.
Формализованы общие выражения для числа знакочередований и корректирующего приращения для разных объемов (3-5) текущей выборки
Учет информации о знакочередовании знаков высот активных выступов макрошероховатости позволяет для выборки с минимальным коэффициентом корреляции определять площадки сцепления, а для максимального коэффициента корреляции - площадки скольжения.
В третьей главе приводятся результаты исследования эффективности освоения прогрессивных технологий устройства макрошероховатых дорожных покрытий на объектах дорожного хозяйства. Были поставлены задачи: - определить перечень участков федеральных автомобильных дорог, на которых были реализованы инновационные проекты, а также уточнить и откорректировать данные, переработать информационную базу данных мониторинга результатов применения прогрессивных технологий в независимый банк данных, совместимый с АБДД «ДОРОГА» [1] и обладающий возможностью использования данных диагностики;
осуществить наполнение «Банка данных мониторинга результатов применения прогрессивных технологий» (БДМППТ) сведениями о применении прогрессивных технологий органами управления дорожным хозяйством и данными диагностики, провести первичный анализ реализации инновационных проектов [100];
- провести исследование эффективности освоения прогрессивных технологий и последующий анализ с использованием специализированного графического модуля, дополнительно разработанного в БДМППТ, а также подготовить предложения по применению технологий при планировании дорожных работ.
Проведение ежегодного мониторинга эффективности освоения прогресс- сивных технологий на объектах дорожного хозяйства позволит усовершенствовать существующий механизм отслеживания результатов инновационной деятельности, а также сформировать перечень технологий, применение которых на практике позволяет добиться качественного улучшения состояния автомобильных дорог и снижения стоимости дорожных работ.
В четвертой главе представлены практические результаты по исследованию, устройству и контролю качества макрошероховатых поверхностей.
Решение задачи построения плана автомобильной дороги (выделения систематической и случайной составляющей) позволяет теперь по данным с лазерного датчика перемещений до дорожного покрытия выделять высокочастотную составляющую микропрофиля макрошероховатого дорожного покрытия.
Была изготовлена партия образцов антигололедного покрытия ЗаГеЬапе на основе образцов эпоксидной смолы фирмы «Са^Ш» и щебня доломитовых пород [99, 104].
Для этого вида дорожных покрытий было разработаны новые параметры нормирования макрошероховатости с учетом особенности конструкции. Основными параметрами были выбраны разновысотность активных выступов шероховатости, контактирующих с колесами транспортных средств, и разноглубинность впадин покрытия, отвечающие за различность объемов противогололедного материала в пространстве между зернами щебня.
Разновысотность выступов и разноглубинность впадин было предложено оценивать через дисперсию или среднеквадратическое отклонение, а также через оценки автокорреляционной функции как статистические инварианты, что было реализовано в прикладной программе «Шероховатость-2008» портативного переносного измерительного комплекса.
Аналогично методическому обеспечению государственного стандарта ГОСТ 2789-75 Шероховатость поверхности предлагается использовать способ оценки среднеквадратического отклонения разновысотности и разно- глубинности макрошероховатости через показания десяти измерений активных выступов и десяти выступов [105].
Результаты тестовых испытаний формул для ручной оценки показали хорошее соответствие вычислениям с помощью статистических формул вычисления среднеквадратического отклонения и программы «Шероховатость- 2008». Получено, что среднеквадратическое отклонение разновысотности и разноглубинности оказалось максимальным (до 10 мм) по отношению к аналогичным дорожным покрытиям с шероховатой поверхностью (шероховатая поверхностная обработка, шероховатые тонкослойные покрытия, литой асфальтобетон на основе полимерно-битумных вяжущих, слои износа и др.).
Также установлено, что из-за своих осветленных свойств антигололедное покрытие может выполнять роль цветных покрытий противоскольжения.
Впервые примененная в России технология устройства антигололедных макрошероховатых дорожных покрытий не требует специального оборудования и состоит из следующих основных операций: тщательная очистка покрытий от пыли и грязи ручным и/или механизированным способом; при необходимости мойка и сушка, распределение по поверхности покрытия эпоксидной смолы; распределение щебня.
Технология работ по устройству дорожных покрытий типа БаГеЬапе проста и близка к технологии устройства поверхностной обработки, широко используемой в России при повышении шероховатости дорожных покрытий.
В приложении приведены результаты применения Банка данных мониторинга результата применения прогрессивных дорожных технологий.
Дорожные противогололедные покрытия с шероховатой поверхностью: конструкции, материалы и технологии устройства
Шероховатые поверхностные обработки используются: как профилактический слой, который закрывает и предохраняет основные конструктивные слои дорожных покрытий от преждевременного разрушения слой износа, подверженный стиранию в процессе движения, предохраняя структуру дороги, такому слою требуется только периодическое обновление для придания структуре автомобильной дороги ее первоначальных качеств; либо как верхний слой дорожного покрытия с характеристиками шероховатости, обеспечивающими сцепление и хорошее дренирование поверхностных вод, приводящих к значительному понижению порога аквапланирования и создающими сопротивление формированию гололеда.
Чтобы устроить поверхностную обработку, необходимо использовать вяжущее, которое прочно и надолго соединяется с поверхностью покрытия или основания. Это соединение называется парой «вяжущее — основа»; каменный материал должен быть прикреплен к покрытию или основанию, а каждая щебенка должна быть прочно соединена с соседними [51].
Другое взаимодействие называют парой «вяжущее - щебень», количество вяжущего должно быть достаточным, чтобы покрыть пленкой каждую щебенку на необходимую высоту и заполнить все микротрещины дорожного покрытия, но не быть избыточным, чтобы не выступать на поверхность щебеночного слоя.
Реализуется равномерность дозировки и распределения вяжущего, каменный материал должен быть чистым, обладать высокими физико- механическими свойствами (прочностью, морозостойкостью, сопротивлением истиранию и др.), иметь определенные формы и размеры, количество каменного материала должно быть достаточным, чтобы создать нужную структуру поверхности, но не быть излишним, чтобы избежать необходимости удаления его. Каждая щебенка должна занять стабильное положение, все они вместе должны создавать монолитный слой с шероховатой поверхностью.
Форма щебенок должна быть ближе к кубической, чтобы обеспечить их устойчивое положение на поверхности покрытия. Яйцевидная форма щебенок не имеет стабильного положения. Плоские плитки и щебенки в виде вытянутой иглы хрупки и плохо укладываются в покрытие [51].
Размеры щебня порядка 10-15 и 15-20 мм вызывают высокий уровень шума в салоне автомобиля, поэтому ее не применяют в городских условиях. Различают несколько вариантов шероховатых поверхностных обработок, каждый из которых имеет свою сферу эффективного применения (рис. 1.2) [51].
Однослойная поверхностная обработка с однократным распределением вяжущего и щебня. Применяется для создания шероховатой поверхности и слоя износа дорожной одежды с достаточной прочностью. Это самый распространенный вид шероховатой поверхностной обработки, наиболее подходящий для всех видов движения. Чаще всего она устраивается из щебня фракций 5-10, 10-15 мм, такая конструкция относится к макрошероховатым [75].
Однослойная поверхностная обработка с двойным распределением щебня. На слой нанесенного вяжущего рассыпают крупную фракцию щебня (например, 10-15 или 15-20 мм), прикатывают катком, а затем рассыпают более мелкую фракцию щебня (например, 5-10 мм) и уплотняют. Применяется на автомобильных дорогах с интенсивным движением и высокой скоростью движения, способствует улучшенной герметичности покрытия, устранению мелких неровностей и деформаций, лучше распределяет усилия от колес автомобилей [34].
При устройстве двухслойной поверхностной обработки на первый слой разлитого вяжущего рассыпают крупную фракцию щебня и затем уплотняют. Далее распределяют второй слой вяжущего, рассыпают более мелкую фракцию щебня и окончательно уплотняют. Применяется на дорожных покрытиях с недостаточной прочностью, при наличии сетки трещин, ямочности, колей, при высокой интенсивности движения, т.е. в тех случаях, когда необходимо не только создать шероховатый слой износа и защитный слой, но и улучшить ровность, несколько повысить прочность и сдвигоустойчивость [51].
Поверхностная обработка типа «сэндвич». На покрытие рассыпают щебень более крупной фракции, затем распределяют вяжущее, рассыпают щебень мелкой фракции и уплотняют. Структура получаемого слоя поверхностной обработки сравнима с однослойной поверхностной обработкой, устроенной путем розлива вяжущего и двойной россыпью щебня [14].
Существует два способа устройства поверхностных обработок: традиционный - с раздельным распределением материалов; способ с синхронным распределением вяжущего и щебня. Основным отличием новой технологии устройства поверхностной обработки является синхронное, практически одновременное распределение вяжущего и россыпь щебня [55].
При устройстве поверхностной обработки традиционными методами разрыв во времени между распределением вяжущего и россыпью щебня лимитируется временем остывания горячего битума и может достигать 1 часа. При синхронном распределении вяжущего и щебня разрыв между этими операциями не превышает 1 с, что значительно сказывается на повышении качества поверхностной обработки при использовании в качестве вяжущего горячего битума или битумной эмульсии [33, 39, 77].
Повышение качества при использовании в роли вяжущего горячего битума объясняется тем, что битум не успевает остыть и сохраняет жидкую консистенцию и высокую клеящую способность. В результате битум хорошо проникает в микропоры щебня и покрытия, обволакивает каждую щебенку и прочно приклеивает их к покрытию и одну к другой. Уплотнение устраиваемого слоя также происходит при горячем состоянии битума, что обеспечивает максимальный эффект уплотнения (рис. 1.3) [51].
Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона
В Республике Беларусь, согласно РД 0219.1.07-98 [112], определение фактического расхода вяжущего производится перед началом каждого сезона (периодический контроль-тарировка) и непосредственно в ходе производства работ (оперативный контроль). При периодическом контроле-тарировке при помощи емкостей объемом не менее 5 л в количестве, равном числу форсунок на гребенке автогудронатора, делается замер расхода и расхождений в скорости подачи вяжущего через каждую форсунку. При операционном контроле используется толщиномер и стальные ванночки, располагаемые на пути следования автогудронатора. Равномерность определяется разницей замеров толщины слоя вяжущего в ванночках толщиномером равномерно по всей поверхности, разница значений не должна превышать 10 %. Фактический расход щебня, согласно РД 0219.1.07-98 [112], определяется при помощи шаблонов-рамок, погрешность дозирования не должна превышать 10 %. В Грузии, согласно ВСН 2-87 [112], проверка расхода материалов на месте производства работ производится «по способу Т.А.Шилакадзе». Расход битума контролируется при помощи четырех листов размером 25x25 см, расположенных на пути следования автогудронатора. После взвешивания листов с вяжущим их укладывают на свои места и распределяют на них щебень, затем снова взвешивают. Расчет среднего расхода производится по разнице веса между листами чистыми, с вяжущим и с вяжущим и щебнем. Эти сведения также свидетельствуют о необходимости контроля равномерности и расхода материалов.
Для более четкого отслеживания ситуации по устройству шероховатой поверхностной обработки разработана, апробирована в производственных условиях и рекомендуется форма журнала производства работ, которая в случае возникновения брака может дать полную информацию по каждому участку устройства шероховатой поверхностной обработки и в дальнейшем может послужить для набора статистических данных по устройству шероховатой поверхностной обработки в различных условиях производства работ.
Контроль качества работ по устройству покрытий с шероховатыми поверхностями состоит в систематической проверке качества применяемых дорожных материалов, приготовления смесей, соблюдении технологии производства работ. Все контрольные работы следует выполнять в строгом соответствии с методами испытания, изложенными в соответствующих технических документах.
В процессе производства работ по устройству покрытия с шероховатой поверхностью осуществляется операционный контроль процессов приготовления и укладки материалов в поверхностный слой.
При устройстве покрытия с шероховатой поверхностью контролируемые параметры, частота их определения и допустимые отклонения от нормативных значений регламентируются СНиП 3.06.03-85 и выполняются с помощью современных средств и методов измерения [8, 25, 26, 37, 65, 68, 69, 86, 87, 97, 98, 102, 105, 106].
После уплотнения покрытия осуществляется операционный контроль параметров шероховатости не менее чем в 3-х местах (по выбору производителя работ) на 100 п.м устроенного слоя (25-30 определений на 1 км). По разработанной автором методике определяются параметры шероховатости на соответствие проектным.
В процессе устройства покрытия с шероховатой поверхностью особое внимание рекомендуется уделять тщательности сопряжения технологических швов и однородности структуры шероховатости поверхности. Рекомендуется предупреждать появление пятен переизбытка вяжущего, «тощих» обедненных участков и пропусков в устроенном слое.
На этапе ухода за устроенным слоем определяется степень приживаемости элементов шероховатого слоя к поверхности обрабатываемого слоя, которую по площади рекомендуется доводить до 100 %, а по объему материала до 95 %. Контролируются проходы грузовых автомобилей и их скорость в течение первых трех-четырех суток после устройства шероховатого слоя.
Приемочный контроль качества поверхностного слоя покрытия осуществляется по СНиП 3.06.03-85 [86] после завершения формирования шероховатой поверхностной обработки через 14 суток. Разрешается осуществлять приемку отдельными участками, расположение и протяжение которых устанавливается Заказчиком по согласованию со строительной организацией.
Основное эксплуатационное свойство верхних слоёв покрытий - это обеспечение сцепных качеств поверхностей и требуемой степени стабильности в процессе их эксплуатации. Реальный способ обеспечения этого свойства - создание макрошероховатых поверхностей, т.е. поверхностей, состоящих из выступов и впадин со средней их высотой (глубиной) К.2 0,5-9 мм (оптимально до 6 мм). Эти выступы истираются в процессе эксплуатации, однако, даже при минимальном объёме впадин (характеризующихся через Нср =0,3+0,5 мм), покрытия сохраняют минимально допустимые значения коэффициента сцепления колеса с покрытием р. Чем больше выступов и выше их износостойкость, тем больше срок службы поверхности покрытия [18].
Первые шаги в направлении устройства таких поверхностей были сделаны, когда появились поверхностные обработки, оказавшиеся недолговечными (из-за излишне открытой поверхности с 11 15-20 мм) под действием возросшего грузонапряжённого и интенсивного движения.
Второй шаг был сделан при появлении асфальтобетона из смеси типа А (ГОСТ 3128-97), однако выступы в нём, при существующей технологии уплотнения слоёв гладковальцевыми катками, оказались закрытыми плотной износостойкой растворной частью смеси (истирающейся в течение 1-2 лет). Содержание щебня в асфальтобетонных смесях типа А, обеспечивало нижние пределы значений сцепных свойств.
Учитывая, что растворная часть сразу после устройства слоев и на весь период эксплуатации закрепляет щебень, разработаны многощебенистые битумоминеральные смеси (55-85 % по массе). При повышении содержания щебня в смесях увеличивается объём пустот в щебёночном каркасе слоя и заполняющую часть, находящуюся в этих пустотах, невозможно оптимально уплотнить. Применяют заполнение пор не требующим уплотнения материалом типа мастики (щебнемастичные асфальтобетоны), но нуждающимся в качественном вяжущем и специализированных, армирующих мастику, добавках; второй способ - не заполнение пор, а их использование для дренирования воды в слоях дренирующего асфальтобетона [76].
Мониторинг применения прогрессивных технологий дорожного хозяйства
Состав заполняющей щебень части смеси и специальные технологические приемы при уплотнении пневмокатками позволяют уплотнить ее внутри пустот щебенчатого каркаса (гладковальцевыми катками этого достичь невозможно) так, что объем Уоп опасных для долговечности средних и мелких пор не будет превышать объем этих пор в асфальтобетоне из смеси типа А по ГОСТ 9128-97. Часть пор внутри пустот щебеночного каркаса при уплотнении, находящийся в ней заполняющей части смеси, уменьшается в объеме, освобождается и образует открытые крупные текстурные поры, в которые за 1 час входит вода и за 1-2 часа из них выходит.
В асфальтобетоне Жп составляет 0,5+1,0% и обычно, отдельно от водонасыщения не определяется, а входит в Ун. Как было отмечено в исследованиях Д.И. Гегелия, в асфальтобетоне из смеси типа А, принятой за эталон, 90 % пор открыты. Отличие эталонной пористости от пористости в макрошероховатых слоях состоит в том, что последние содержат в 3-5 раз больший объем открытых крупных текстурных пор, не влияющих на долговечность слоев [18].
Крупные, открытые текстурные поры (Уок), определяемые водопоглоще- нием \Уп, выполняют в макрошероховатом слое ряд функций, а именно [18]: 1) улучшают сцепные качества поверхности; 2) наряду с впадинами макрошероховатости, дренирующими воду по поверхности, дренируют часть воды через слой; 3) вносят значительный вклад в повышение морозостойкости слоев, т.к. при замерзании воды в них «отжимается» лед, который не в состоянии разрушить крупные поры; 4) вносят вклад в повышение деформативности слоя, облегчая возможность отдельным щебенкам осуществлять микроперемещения (не меняя своего основного положения) в пленке вяжущего под действием нагрузки и знакопеременных температур, предотвращая, тем самым, хрупкое разрушение покрытия. 5) вносят вклад в повышение сдвигоустойчивости слоя, облегчая частицам заполняющей щебень части слоя расширяться в них при высоких летних температурах, не создавая вокруг щебня лишнего объема более текучего при положительных температурах, облегчающего сдвижку частиц щебня в слое. Щебеночный каркас с законтактной и контактной структурой, образующийся в макрошероховатом слое, и наличие в нем небольшого (2-5 %) объема открытых, крупных текстурных пор, принципиально, по своей сути обеспечивают трещино- и сдвигоустойчивость макрошероховатого слоя [76]. В макрошероховатых слоях из БМО смесей количество открытых, крупных текстурных пор должно быть минимальным (2-5 %), объем структурных пор в заполняющей части должен быть, также, минимальным, не более, чем в асфальтобетонных слоях из смеси типа А по ГОСТ 9128-97. Щебеночный каркас должен иметь жесткую контактную или законтактную структуру, пленка вяжущего (ABB) на отдельных щебенках должна иметь с одной стороны хорошее с ними сцепление, а с другой - обеспечивать их микроперемещения (быть достаточно деформативной), предотвращающие разрушение слоя при действии знакопеременных температур и нагрузок. Такие слои получают из БМО смесей /1,3/, в которых, в отличие от дренирующих и щебнемастичных смесей, используются те же компоненты и с теми же требованиями к ним, что и для асфальтобетонных смесей типа А [76]. Проектирование составов БМО смесей можно осуществлять двумя способами: эмпирическим и функциональным. Первый основан на опыте и состоит из подбора соотношений между содержанием щебня, обработанного вяжущим и заполняющей части: песчаными уплотняемыми (сыпучая консистенция) и литыми (пластичная консистенция) асфальтобетонными смесями по соответствующим стандартам. Такой подбор пригоден для типовых составов. С него можно начать подбор по функциональному способу и сделать это эмпирически: определить набор эксплуатационных свойств для условий применения слоя и подобрать состав отвечающий требованиям, предъявляемым к этим свойствам. Возможен другой вариант, когда состав рассчитывается и подбирается с учетом получения заданных параметров эксплуатационных свойств [76]. 1. Проведен подробный анализ технологий и особенностей применения машин и механизмов для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, а именно шероховатых поверхностных обработок. 2. Показано, что современные БЩР обеспечивают возможность синхронного распределения вяжущего и щебня требуемой фракции с образованием макрошероховатого дорожного покрытия. 3. Показано, что макрошероховатое дорожное покрытие образуется в случае, когда не производится операция прикатки щебня катками, что характерно, например, для противогололедного дорожного покрытия типа 8аеЬапе. 4. Вариативность высот активных выступов и объема структурных пор (глубин впадин) макрошероховатого дорожного покрытия определяют значимость относительных максимальных разновысотности и разноглубинности. 5. В процессе выполнения технологических операций устройства макро- шероховатых дорожных покрытий наблюдаются различные виды дефектов, связанных с неравномерностью перемешивания щебня, распределения щебня и вяжущего. 6. К их проявлениям относится значительная вариативность коэффициента сцепления на локальных участках (до 5-10 м) дорожного покрытия. Это требует анализа причин возникновения этих вариативностей и совершенствования методов нормирования, устройства и контроля качества макрошероховатых дорожных покрытий. 7. Проведен подробный анализ основоположников тематики макрошеро- ховатых дорожных покрытий к.т.н. Гладкова В.Ю. и Паниной Л.Г., выявлены направления совершенствования их методологического подхода. 8. Результаты аналитического обзора позволил обосновать перспективность дальнейшего исследования данного класса дорожных покрытий с шероховатой поверхностью - макрошероховатых дорожных покрытий, отличающихся повышенной относительной разновысотностью активных выступов и разноглубинностью впадин (структурных пор).
Лабораторные исследования антигололедных дорожных покрытий с макрошероховатой поверхностью
Исследованиями [39] показано, что реально влияющими на триботехнику из параметров существующего ГОСТ 2789-73, являются средний шаг неровностей и средний шаг местных выступов профиля. Остальные параметры отвечают за распределение рабочей жидкости и ряд особенностей эксплуатации шероховатой поверхности, либо не отвечают условию воспроизводимости результатов измерения.
Известен способ определения параметров шероховатости, используемый в технологии машиностроения и указанный в учебнике для подготовки рабочих на производстве,[52, 39]. В нем прямое измерение шероховатости производится контактным способом при помощи профилометра, игла которого с заданным радиусом закругления движется по поверхности с постоянной скоростью. Количественное значение непосредственно средне квадратичных отклонений определяется по шкале электроизмерительного прибора. Эта особенность способа основана на положениях ГОСТ 2789-45 (использование средне квадратических отклонений для точек профиля), но следует заметить, что диаметр закругления указан в пять раз (15 мкм вместо 3 мкм) больший требуемого по условиям измерения и фактически закругление иглы огибает шероховатую поверхность по высотам выступов. Это позволило в технологии машиностроения при измерении шероховатости определять величину, устойчиво коррелирующую с изменением параметров трения (покоя, качения, скольжения, сопротивления движению).
Признано, что при движении транспортного средства по автомобильной дороге (контакте колеса и дорожного покрытия с шероховатой поверхностью) контактирующие поверхности соприкасаются по вершинам выступов, и давление, передаваемое от колеса к покрытию дороги, воспринимается только некоторой несущей частью геометрической поверхности. С учетом требования функциональности назначения поверхности для автомобильной дороги естественно назначать базовую длину, соответствующую размерам отпечатка колеса (360 или 180 мм).
Основной задачей при устройстве шероховатых поверхностных обработок автомобильных дорог является создание защитного слоя, который, выполняя функции слоя износа, обеспечивает сохранность и срок службы дорожного полотна. При этом обеспечивают высокое качество самой шероховатой поверхностной обработки по критерию долговечности, добиваясь наиболее плотного прилегания формообразующих выступов друг к другу. Этого достигают путем распределения требуемого для этой цели. максимального расхода материала, а также дополнительного уплотнения поверхностного слоя, устройства двойной поверхностной обработки. Однако это не обеспечивает требуемых условий водоотведения, а также нормируемого по условиям безопасности движения коэффициента сцепления. Щебень при устройстве шероховатых поверхностных обработок выполняет две функции: обеспечивает прямой контакт с колесами транспортных средств (необходимую шероховатость и коэффициент сцепления; образование плотной текстуры слоя шероховатой поверхностной обработки, в котором зерна щебня (фракции щебня) взаимно блокируются. Наиболее благоприятной формой зерен является кубовидная, которая способствует стабильному расположению на поверхности дороги каждого зерна щебня, обеспечению необходимого коэффициента сцепления и взаимному блокированию зерен.
Возможность применения в дорожном хозяйстве государственного стандарта ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения указывались многими авторами [11]. Однако содержательного анализа его показателей, реально отвечающих за геометрию макрошероховатости и значимо коррелирующих с триботехническими параметрами, не проводилось. Вместе с тем был удачно предложен новый параметр, не входивший в ГОСТ 2789-73 - средняя высота выступов шероховатости, а также средний радиус кривизны и средний угол вершин неровностей.
В дорожном хозяйстве применение параметра средней высоты выступов вполне отвечало возможности нормирования для дорожных покрытий, на которых колесо полностью контактировало с поверхностью дороги. Однако уже для шероховатой поверхностной обработки контактирование колеса происходит по выступам макрошероховатости (зернам щебня), а глубины впадин и степень их заполнения вяжущим, водой или снегом, различными загрязнениями не являются доминирующими влияющими факторами. Поэтому для обеспечения воспроизводимости результатов измерения и слабой зависимости от выбора уровня сечения профиля необходимо переходить от математического ожидания к дисперсии высот выступов [39]. В развитие этой идеи автором предлагается сделать следующий шаг в развитие этой научной темы - перейти к корреляционному анализу цифрового ряда результата измерений параметров макрошероховатости дорожного покрытия
Проведено совершенствование методов проектирования шероховатых поверхностных слоев покрытий, основаных на обеспечении срока службы плотным заполнением зерен (выступов) на поверхности и обеспечением коэффициента сцепления подбором и регулированием диапазонов высоты выступов. Показана большая степень коррелированности нормируемого коэффициента сцепления с разбросом высот выступов шероховатой поверхности в сравнении с его высотой (определяющей высоту неровностей). На примере автомобильных дорог учетом работ профессора Кочеткова A.B. уточнены основные параметры шероховатости, вызывающие изменение коэффициента сцепления колеса автомобиля с поверхностью дороги.
Решена задача поиска таких параметров геометрии шероховатой поверхности, изменение которых будет существенно более коррелироваться с изменением коэффициента сцепления. В качестве новых параметров рассматриваются дисперсия разброса высот выступов макрошероховатости, их статистическое распределение, и в развитие - спектральная плотность, декоррелированность.
