Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса уплотнения асфальтобетонных покрытий виброкатками 12
1.1 Особенности уплотнения асфальтобетонных покрытий в городских условиях 12
1.2 Режимы работы виброкатков и их влияние на качество уплотнения 24
1.3 Выводы, цель и задачи исследования 28
ГЛАВА 2 Экспериментальные исследования процесса уплотнения асфальтобетонных смесей при ремонте городских дорог 31
2.1 Исследование температурного режима смесей в технологическом процессе «АБЗ — Транспортировка — Укладка — Уплотнение» 31
2.2 Исследование плотности асфальтобетонной смеси в процессе её укладки и уплотнения 43
2.3 Выводы по главе 52
ГЛАВА 3 Теоретические исследования виброуплотнения асфальтобетонной смеси при ремонте городских дорог 55
3.1 Теоретические основы уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационными катками 55
3.2 Обоснование толщины слоя асфальтобетонной смеси, уплотняемого вибрационным катком 81
3.3 Влияние режимов работы виброкатков на однородность уплотнения смеси 82
3.3.1 Методика прогнозирования коэффициента вариации плотности асфальтобетонных смесей 84
3.4 Выводы по главе
ГЛАВА 4 Научно-практические рекомендации по уплотнению асфальтобетонных покрытий городских дорог вибрационными катками 87
4.1 Общие положения 87
4.2 Формирование звена катков 87
4.3 Организация и технология уплотнения асфальтобетонных покрытий 93
4.4 Контроль качества работ 98
4.4.1 Методы измерения плотности асфальтобетонных покрытий 98
4.4.2 Статистический контроль качества 99
4.5 Технико-экономическое обоснование состава дорожных катков 100
4.5.1 Определение времени работы механизированного звена катков 101
4.5.2 Расчет стоимости эксплуатации механизированного звена катков 101
4.6 Пример проектирования организации и технологии уплотнения асфальтобетонной смеси вибрационными катками 102
4.7 Выводы по главе 105
Основные выводы 106
Список литературы
- Режимы работы виброкатков и их влияние на качество уплотнения
- Исследование плотности асфальтобетонной смеси в процессе её укладки и уплотнения
- Обоснование толщины слоя асфальтобетонной смеси, уплотняемого вибрационным катком
- Организация и технология уплотнения асфальтобетонных покрытий
Режимы работы виброкатков и их влияние на качество уплотнения
Из широкого многообразия дорожных катков, применяемых в настоящее время [29], особую популярность получили вибрационные катки как наиболее производительные.
Одним из условий повышения качества уплотнения асфальтобетонных покрытий вибрационными катками является их правильное применение. В работах [18, 25, 30, 31, 33, 42, 47, 51, 52, 64, 70, 71, 77, 80, 84, 87, 88, 96, 100, 104, 109, 117, 120, 129, 141] рассмотрены различные технологии уплотнения асфальтобетонных смесей с применением виброкатков. В соответствии с требованиями СНиП 3.06.03-85 [126] при использовании асфальтоукладчиков с трамбующим брусом и виброплитой асфальтобетонную смесь типа А и Б необходимо уплотнять сначала гладковальцовым катком массой 10-13т, затем виброкатком массой 6-8т (4-6 проходов по следу) или пневмокатком массой 16т. Завершает процесс уплотнения гладковальцовый каток массой 11-18т за 4-6 проходов по следу. Согласно рекомендациям B.C. Истомина [64] при использовании асфальтоукладчика с вибрационной выглаживающей плитой на первом этапе уплотнения смеси с содержанием щебня более 40% применяют либо статический каток массой 10-13т, который совершает 8-10 проходов по следу, либо пневматический каток массой 16т, выполняющий 4-6 проходов, либо вибрационный каток массой 6-8т, совершающий 4-6 проходов в динамическом режиме. На втором завершающем этапе уплотнения применяют статический каток массой 11-18т, который выполняет 4-6 проходов по одному следу. По мнению М.Г. Горячева на первом этапе уплотнения смесей типа А и Б следует использовать гладковальцовый каток массой 10-13т за 4-6 проходов по следу, пневмоколесный массой 16т — за 4-6 проходов, виброкаток массой 6-8т — за 4-6 проходов. На втором завершающем этапе уплотнение выполняется гладковальцевым катком массой 11-18т за 4-6 проходов [25]. Рекомендации ТР 103-07 по уплотнению горячих асфальтобетонных смесей включают работу гладковальцового катка массой 6-8т (на начальном уплотнении) до 6 проходов по следу, далее выполняет 8-10 проходов по следу пневмокаток, завершает уплотнение гладковальцовый каток массой 10-18т за 4-6 проходов по одному следу [141].
М.П. Костельовым предложена вибростатическая технология уплотнения асфальтобетонной смеси. Отряд уплотняющей техники формируется из двух катков: вибрационного с соответствующими весовыми и вибрационными параметрами, и статического CS 141/CS 142. Виброкаток в статическом режиме выполняет 2-3 прохода предварительной подкатки, после чего включает вибратор и совершает 4-6 проходов в динамическом режиме. Для повышения ровности покрытия проходы с вибрацией выполняются при его перемещении от укладчика, т.е. с наиболее горячей смеси в сторону частично остывшей, что снижает накат сдвиговой волны. Перемещение катка к укладчику идет без вибрации. Виброкаток в статике и с вибрацией выполняет не менее 8-10 проходов. Вслед за виброкатком свою работу совершает статический каток тяжелого типа за 4-8 проходов по следу, но на несколько меньшей рабочей скорости (3-4 км/ч), чем виброкаток [72].
Скорость катков в нормативных документах и рекомендациях различна. По данным М.Г. Горячева скорость уплотнения смеси легким и средним катком на начальном этапе должна составлять 1,5-2,0 км/ч. После 5-6 проходов скорость увеличивают до 5-8 км/ч для пневмокатков и до 3-5 км/ч для остальных катков. На завершающем этапе скорость уплотнения тяжелыми катками составляет 3-4 км/ч [25]. Согласно рекомендациям ТР 103-07 [141] скорость уплотнения асфальтобетонной смеси в начале уплотнения составляет также 1,5-2,0 км/ч, после 5-6 проходов для гладковальцовых — 3-5 км/ч, виброкатков — 2-3 км/ч, пневмокатков — 5-8 км/ч. Звено катков назначается в зависимости от коэффициента уплотнения смеси асфальтоукладчиком. Коэффициент уплотнения смеси типа А и Б (содержание щебня 40-50%) после асфальтоукладчика может составлять 0,99. В этом случае дальнейшей работы дорожных катков не требуется. При коэффициенте предварительного уплотнения смеси 0,97-0,96 уплотнение выполняет глад-ковальцовый каток массой 11-18т за 8-10 проходов по следу со скоростью 5км/ч.
Наиболее распространенная схема уплотнения горячих смесей предполагает использование вибрационного катка на втором этапе уплотнения покрытия (рисунок 1.20). При подкатке рыхлого полуфабриката каток работает в статическом режиме. Затем с включенными вибраторами. До и после виброкатка работают статические катки разной массы. Весь производственный процесс достаточно продолжителен. На практике дорожно-строительные организации не всегда следуют принятой технологии, используют 2-3 катка с разной уплотняющей нагрузкой. Применение вибрационного катка часто производят в статическом режиме во избежание растрескивания асфальтобетона и образования наплывов.
Основными технологическими характеристиками, влияющими на уплотняющую способность виброкатка, являются амплитуда и частота колебаний вальца, скорость движения, статическая линейная нагрузка, количество проходов и толщина уплотняемого слоя. Изменение амплитуды и частоты колебаний вибровальца влияет на однородность и эффективность уплотнения асфальтобетона. Обычно величина амплитуды составляет 0,2-0,8 мм, а частота колебаний 25-58 Гц. Величина амплитуды колебания зависит от толщины уплотняемого слоя. При уплотнении тонких слоев (4-6 см) рекомендуется работать на малых амплитудах. Соответственно с увеличением толщины слоя амплитуду колебания следует повышать. Частоту колебания вибровальца назначают с учетом типа уплотняемой смеси, ее температуры и скорости движения катка. С ростом содержания щебня в асфальтобетонной смеси и рабочей скорости виброкатка частоту колебания вальца рекомендуется увеличивать.
Исследование плотности асфальтобетонной смеси в процессе её укладки и уплотнения
Исследование плотности асфальтобетонной смеси в процессе ее укладки и уплотнении выполнялось в два этапа. Первые исследования были выполнены одновременно с измерениями температурного режима плотномером ПАБ в 2012 г. (пункт 2.1). По результатам измерения получено более 1200 значений коэффициента уплотнения покрытия (рисунок 2.20) [4, 6, 7, 9, 35, 43, 46, 48].
Установлено, что прирост коэффициента уплотнения смеси наиболее интенсивен при работе катков AMMANN AV80X4 и AMMANN AV110X и составляет от 0,75-0,90. Дальнейшая работа катка AMMANN AV120X была малоэффективной, прирост коэффициента уплотнения материала составил 0,05-0,07 (до 0,95-0,97).
Статистическая обработка показала, что распределение коэффициента уплотнения смеси подчиняется нормальному закону (рисунки 2.30-2.33, приложение Г). Распределение плотности по площади участка носит случайный характер (рисунки 2.34-2.35, приложение Г). После укладки смеси асфальтоукладчиком Vogele Super 1803-1 (Wirtgen group) математическое ожидание коэффициента уплотнения равно 0,84 (рисунок 2.30). Укатка смеси статической нагрузкой (катки «Раскат ДУ-47», «Раскат ДУ-84») позволила повысить коэффициент уплотнения в среднем до 0,92 (приложение Г). При этом правосторонняя ассиметрия гистограммы после укладки смеси асфальтоукладчиком трансформируется в симметричную. В дальнейшем, в ходе уплотнения смеси вибрационной нагрузкой, гистограмма постепенно приобретает левостороннюю ассиметрию (рисунки 2.32-2.33). о4
Математическое ожидание коэффициента уплотнения достигает 1,03. Около 25% покрытия имеет коэффициент уплотнения 0,99; 70 % покрытия — 1,00-1,03; 5% покрытия — 1,04 (рисунок 2.33).
Технология комбинированной укатки покрытия более эффективна, позволяет снизить коэффициент вариации плотности (Cv) с 0,041 до 0,015, что соответствует оценки «отлично» (рисунок 2.36).
Сравнительная оценка качества уплотнения горячих смесей вибрационными катками показывает, что использование виброкатков только в статическом режиме неэффективно, не позволяет обеспечить качественное уплотнение покрытия. Динамический режим работы виброкатков дает возможность в более короткие сроки сформировать плотное дорожное покрытие с коэффициентом уплотнения 1,03-1,04 (рисунок 2.29) и коэффициентом вариации 0,015 (рисунок 2.36).
Температурное поле и коэффициент уплотнения асфальтобетонного покрытия в процессе укладки и уплотнения горячей смеси подчиняются нор мальному закону распределения. Температура полуфабриката в производствен ном процессе изменяется экспоненциально (рисунки 2.2, 2.12), коэффициент уп лотнения — полиноминально (рисунки 2.20, 2.29). В процессе уплотнения смеси наблюдается сильная температурная сег регация полуфабриката (рисунки 2.8, 2.9, 2.17, 2.18, приложение А и Б). Наибо лее выраженная в начале укладки и уплотнения смеси, в середине процесса уп 53 лотнения температура поверхности асфальтобетона, снизившись в среднем до 70С, остается практически неизменной до окончания уплотнения смеси. Большинство значений вариации температурного поля превышают допустимый предел 8%, что указывает на высокую температурную неоднородность полуфабриката.
Высокая вариационная неоднородность плотности покрытия при статическом уплотнении (рисунок 2.28) свидетельствует о малой эффективности применяемой технологии. Остывание смеси без увеличения уплотняющей нагрузки не позволяет качественно уплотнить покрытие. По окончании работ более 95% значений коэффициента уплотнения покрытия не соответствует требуемой величине 0,98-0,99 (рисунок 2.24). При формировании состава звеньев большое значение имеет правильный подбор состава виброкатков в соответствии с режимами их работы и с учетом динамики остывания смеси. При использовании катков статического действия их состав должен быть сформирован в соответствии со сложившейся практикой производства работ.
Результаты натурных исследований показали более высокую эффективность работы вибрационных катков в динамическом режиме по сравнению со статическим режимом. При использовании вибрационных катков в динамическом режиме коэффициент уплотнения дорожного материала повышается до 1,03-1,05 (рисунок 2.29), коэффициент вариации уплотнения снижается до 0,015 (рисунок 2.36). 7. Применение виброкатков в динамическом режиме работы позволит качественно уплотнить асфальтобетонную смесь, снизит время производства работ, уровень транспортных заторов, требуемое число катков без ухудшения качества уплотнения, уменьшит себестоимость дорожно-ремонтных работ и издержки на городском транспорте в период ремонта улично-дорожной сети.
Обоснование толщины слоя асфальтобетонной смеси, уплотняемого вибрационным катком
Использование на промежуточном и заключительном этапах уплотнения катка в динамическом режиме работы с подобранным показателем уплотняющей способности позволяет повысить коэффициент уплотнения до Ку = 0,97 (рисунок 3.26). Предел прочности смеси, МПа -Работа дорожных катков
В главе 1 приведена вибростатическая технология уплотнения [72, 80-82], для которой уплотняющая способность тандемного вибрационного катка Hamm HD75 приведена для слоя 5см, а статический показатель катка Dynapac CS142 указан только для 6см. На рисунках 3.28 и 3.29 приведены результаты анализа данной технологии. Работа каждого катка рассмотрена отдельно. Значения уплотняющих способностей катков и коэффициенты уплотнения смеси рассчитаны согласно работам [72, 82].
Как видно на рисунке 3.28, для уплотнения смеси происходит превышение контактных давлений катка над пределом прочности смеси.
Проведенные исследования позволили установить: для каждого дорожного катка важно определить оптимальные температурные режимы эффективного уплотнения слоев асфальтобетонной смеси. При снижении температурного порога укладки горячей смеси увеличивается ее предел прочности, что позволяет максимально использовать уплотняющие способности катков. Сокращается общее необходимое количество дорожной техники. Результаты выдвинутой гипотезы представлены на рисунках 3.30 и 3.31. 3,5
Вибрационный метод уплотнения практически у большинства современных катков представлен двумя режимами в зависимости от количества значений номинальной амплитуды колебаний вальца (приложение Д и Е). Уплотнение смеси выполняется катком Ammann ARX 36 в статическом и динамическом режимах. Увеличение уплотняющей способности катка позволяет уплотнить асфальтобетонную смесь толщиной 4см одним виброкатком до Ку = 0,98. Включе 80 ниє на заключительном этапе дополнительного катка повышает коэффициент уплотнения смеси, но приведет к увеличению стоимости работ. Аналогичным способом выполнено проектирование организации работ по ямочному ремонту дорожного покрытия (рисунок 3.31) виброкатком Dynapac CC624HF. Коэффициент уплотнения равен Ку = 1,003.
Организация уплотнения смеси при ямочном ремонте катком Dynapac CC624HF на основе разработанной методики Разработанные организационно-технологические решения (рисунки 3.30 и 3.31) рекомендуются для выполнения ямочного ремонта асфальтобетонных покрытий.
Для каждой модели виброкатка существует оптимальная толщина уплотнения асфальтобетонной смеси. Согласно исследованиям Е.С. Локшина [87, 88], применение виброкатков целесообразно при толщине слоя не менее 0,04м. В более тонких слоях возникают напряжения, которые приводят к выдавливанию смесей и дроблению минеральных компонентов.
Согласно исследованиям B.C. Серебренникова [120] для эффективного уплотнения покрытия необходимо, чтобы общее силовое воздействие вибрационного катка (P(t)) преодолело силы сцепления минеральных составляющих асфальтобетонной смеси (C(t)), силу инерции определенного объема дорожной смеси и силы внутреннего трения компонентов материала: площадь поперечного сечения уплотняемого слоя асфальтобетонной смеси, м ; m — масса активной зоны уплотняемой асфальтобетонной смеси, кг; g — ускорение свободного падения, м/с ; N(t) — усилия, возникающие от нормальных напряжений в асфальтобетонной смеси, Н; ф(і) — угол внутреннего трения смеси.
На основании уравнения (3.29) в работе [120] получено квадратичное неравенство, определяющее максимальную прорабатываемую толщину слоя асфальтобетонной смеси (Н) при определенных параметрах уплотнения:
В главе 2 отмечено, что однородность уплотнения асфальтобетонных смесей зависит от технологии работ, режимов работы и типов катков, температуры воздуха и свойств смеси.
В работах [87, 88] определено наличие эффективной и неэффективной зон работы катков. Зона неэффективной работы обусловлена малым приростом плотности смеси при значительном количестве проходов, после которого требуется работа одного-двух катков, отличающихся техническими параметрами. Исследования, проведенные автором (глава 2), указывают на существование подобных зон у виброкатков в статическом режиме работы.
По результатам исследований [13] установлено снижение коэффициента вариации уплотнения с повышением средней плотности асфальтобетонной смеси (рисунки 3.33-3.34). Плотность асфальтобетона изменяется в поперечном направлении в зависимости от фактического количества проходов используемых катков (рисунок 3.35). Наибольшее значение коэффициента уплотнения было получено по середине проезжей части опытного участка, где катки выполнили максимальное количество проходов по следу.
Выполненные в 2012 г. исследования (глава 2) уплотнения покрытия виброкатками различной массы в статическом режиме выявили низкое качество готового покрытия. В процессе уплотнения наблюдается снижение коэффициента вариации плотности смеси с 0,07 до 0,045.
В работах А.Ф. Зубкова [51-53, 56, 58, 59] отмечено, что наилучшего результата при уплотнении асфальтобетонной смеси вибрационными катками можно достичь при частоте колебания вынуждающей силы 50-67Гц. В исследованиях С.Н. Иванченко, Н.И. Ярмолинской, А.А. Парфенова [60] эффективными указаны частоты 33-50Гц с соответствующими амплитудами 0,4-0,8мм.
По результатам исследований (глава 2) автором установлено, что при работе вибрационного катка в динамическом режиме, по сравнению со статическим, повышается не только средний коэффициент уплотнения, но и его однородность.
Организация и технология уплотнения асфальтобетонных покрытий
Подготовительные работы включают установку технических средств организации дорожного движения на участке производства ремонтных работ и подготовку дефектного покрытия (разломка асфальтобетона по намеченному контуру, фрезерование материала с последующей погрузкой в автосамосвал, очистка основания от пыли, подгрунтовка органическим вяжущим).
Укладку готовой асфальтобетонной смеси в покрытие выполняет асфальтоукладчик, режим работы которого назначается с учетом типа смеси и ее температуры (таблица 4.2). После прохода асфальтоукладчика необходимо проверять соответствие толщины уложенного слоя смеси проектным решениям.
Укладку смеси толщиной 4-6см не рекомендуется выполнять с частотой колебаний виброплиты у = 3000 кол/мин. В целях повышения качества ремонта покрытий укладку смесей рекомендуется выполнять при температуре 100-120С. При частоте виброплиты у = 2500 кол/мин., рекомендуется использовать катки в динамическом режиме работы в интервале температур 100-135С; в статическом режиме работы для слоя толщиной 4см — в интервале 100-115С, для слоя 5-6см — в интервале 100-110С.
Производство работ при ямочном ремонте отличается от устройства покрытия большими картами. Смесь на отфрезерованный участок укладывают вручную, разбрасывание материала по площади ремонтируемого участка запрещается. Во избежание большой фракционной и температурной сегрегации смеси необходимо ровно переворачивать лопату, тщательно укладывая смесь в покрытие. Укладку горячей смеси в выбоину перед вальцом дорожного катка следует выполнять с устройством небольшого конуса у края. Высота конуса устраивается с учетом отжимания смеси к краям карты при работе катка в динамическом режиме. Это позволяет равномерно распределить асфальтобетонную смесь по площади ремонтируемого участка, повышает однородность уплотнения покры 95 тия. Особое внимание следует уделять уплотнению смеси на границе сопряжения со старым покрытием [130].
Для сокращения времени работ при ямочном ремонте целесообразно использовать один вибрационный каток. Каток работает в следующем режиме: начальный период характеризуется статическим уплотнением, промежуточный и заключительный — динамическим, с изменением номинальной амплитуды колебаний вальца на границах температурных интервалов.
Блок-схема прогнозирования однородности уплотнения смеси представлена на рисунке 4.10. По окончании прогнозирования необходимо сверять полученные данные коэффициента вариации уплотнения горячих асфальтобетонных смесей с рекомендуемыми значениями (таблица 4.4). В случае превышения допустимых значений, следует корректировать проектные решения организации итехнологиия уплотнения: изменение режимов работы катков и их типов, понижение температурного порога начала уплотнения.
Скорость движения катков в начальный период уплотнения должна составлять 1,5-2,0 км/ч. После первых 4-6 проходов скорость увеличивают: для гладковальцовых статических — 3-5 км/ч, вибрационных — 2-3 км/ч, пневмо-шинных — 5-8 км/ч.
Исходные данные: толщина слоя (h), температура воздуха (Твозд), время производства работ (t), параметры катков: ширина (В), диаметр вальца (D), общая сила воздействия катка (F), количество проходов катка (п).
Проектирование организации работы дорожных катков производится в соответствии с графиком (рисунок 4.1). Контактные давления катков не должны превышать предел прочности смеси. Особое внимание необходимо уде 97 лять промежуточному (второму) этапу укатки покрытия. Рациональная организация работы катков основана на максимальном использовании их уплотняющей способности на всех этапах укатки смеси.
На неуплотненном и неостывшем слое асфальтобетонной смеси за прещается останавливать или заправлять дорожные катки и асфальтоукладчики, переключать скорости, совершать развороты, резко менять направление движе ния. Это может являться причиной возникновения трещин, колей, наплывов на покрытии. Переезд катка с одной полосы на другую должен проводиться только по ранее уплотненной области. Необходимо перед сменой направления движе ния отключать вибрацию на катке.
Начинать процесс уплотнения необходимо ведущими вальцами катка вперед в продольном направлении от края ремонтируемого участка к цен тру. Движение катков при устройстве покрытия с уклоном более 30% выполняют в направлении возвышения (снизу вверх). Для избегания прилипания смеси вальцы катка смачивают мыльным раствором или водой. Современные дорож ные катки снабжены автоматической системой подачи воды на вальцы. В про цессе уплотнения на поверхности асфальтобетона скапливаются излишки влаги, дополнительно охлаждающие материал. Необходимо тщательно контролировать объем используемой воды, по возможности удалять лишнюю воду вручную.
При выполнении работ на двускатной автомобильной дороге катки должны двигаться от краев к центру, а затем от центра к краям с перекрытием каждого следа на 100-300 мм. Производство работ на односкатной дороге начинают с нижней стороны; на дорогах с уклоном более 3% — снизу вверх.
В процессе уплотнения на покрытии возможно образование различных дефектов в силу неэффективности или нарушения технологии производства работ: наплывы, трещины (поперечные, продольные, косые). Недостатки необходимо устранять за счет дополнительных проходов катков. В случае невозможности исправления изъянов, на их месте требуется полностью удалить смесь, заполнить новой и уплотнить. Проплешины на поверхности уложенного слоя асфальтобетонной смеси необходимо устранять вручную.