Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ методов нормирования, организации работ, технологий устройства и методов контроля качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
1.1. Анализ нормативно-технической и патентной литературы, основного нормативно-методического документа ВСН 3 8-90
1.2. Общие аспекты применения шероховатых поверхностей
1.3. Особенности выбора и методы контроля качества материалов для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
1.4. Постановка задач исследований
Глава 2. Методы организации, техника и технологии работ по устройству шероховатых поверхностных слоев на покрытиях автомобильных дорог
2.1. Технологии работ по устройству шероховатых поверхностных слоев на покрытиях автомобильных дорог
2.1.1. Зарубежный опыт
2.1.2. Отечественный опыт
2.2. Устройство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью на мостовых сооружениях
2.3. Машины и механизмы для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
2.4. Структура «Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью»
2.5. Выводы по главе 2
Глава 3. Разработка математической модели нормирования и контроля качества шероховатой поверхности автомобильной дороги
3.1. Методы исследования шероховатых структур дорожных покрытий
3.2. Контроль качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
3.3. Анализ параметров шероховатости автомобильных дорог, влияющих на состояние контакта дороги с колесом автомобиля
3.4. Новые методы нормирования и определения параметров шероховатости дорожного покрытия
3.5. Использование теоретико-вероятностного подхода для обоснования новых параметров нормирования шероховатости поверхности
3.6. Обоснование параметров шероховатости, обеспечивающих требуемые коэффициенты сцепления
3.7- Выводы по главе 3
Глава 4. Проведение натурно-вычислительных экспериментов по устройству и контролю качества шероховатых поверхностных слоев
4,1 Комплексное исследование дорожных покрытий с шероховатой поверхностью в Саратовской области
4.2. Разработка способа создания и контроля качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
4.3. Обоснование необходимости применения лазерного датчика для измерения шероховатости дорожного покрытия
4.4. Измерение параметров шероховатости покрытия с помощью дорожного профиломера с бесконтактным (лазерным) датчиком
4.5. Натурно-вычислительный эксперимент по анализу дисперсии разброса выступов шероховатости на обследованных участках
4.6. Выводы по главе 4 „
Глава 5. Рекомендации по проектированию, устройству и контролю качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
5.1. Этапы проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
5.2, Рекомендации по проектированию, устройству и контролю качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
5-3-Выводы по главе 5
Основные результаты и выводы по диссертационной работе
Список литературы
Акты внедрения и испытаний
- Общие аспекты применения шероховатых поверхностей
- Устройство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью на мостовых сооружениях
- Контроль качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
- Разработка способа создания и контроля качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
Введение к работе
Актуальность темы. В практике дорожного строительства в России и за рубежом широкое распространение получили шероховатые поверхностные слои, совокупно играющие роль защитного укрепляющего слоя, слоя износа, гидроизоляции, слоя с повышенным коэффициентом сцепления, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства дорожных покрытий и высокий уровень безопасности движения.
Вопросами проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью занимались в МАДИ (ГТУ), ФГУП «РосдорНИИ», ФГУП «СоюздорНИИ», ОАО «ГипродорНИИ», Саратовском государственном техническом университете, ФГУП СНПЦ «Росдортех», Павловском ДУЦ, ОАО «КаздорНИИ» и других учебных и научных центрах. Широко известны результаты работ АЛ. Васильева, MB. Немчинова, ILR Поспелова, ВЛО. Гладкова, О.К Красикова, А.В. Кочет-кова и других ученых. Ими получены основополагающие и широко применяемые в дорожном хозяйстве научные и инженерные решения по обсуждаемой теме. Существуют устойчивые связи с учеными-дорожниками Франции, ФРГ, США, Финляндии, стран СНГ, проводятся международные семинары и конференции по исследованию шероховатости дорожных покрытий.
За последние пять лет в строительстве и содержании автомобильных дорог появились новые научно-технические воззрения, эффективные технологии, материалы, методы контроля качества поверхностных структур, в том числе в близких отраслях и технологиях. Возникла необходимость в созданий новых «Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» взамен ВСН 38-90 «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью».
Актуальность разработки заключается в необходимости нового подхода к применению методов контроля качества устройства дорожных
покрытий с шероховатой поверхностью, для обеспечения прогнозируемых эксплуатационных свойств дорожных покрытий.
Цель исследований: повышение качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью автомобильных дорог на основе совершенствования системы показателей макрошероховатости покрытия, методов контроля качества.
Научная новизна.
На основе результатов теоретических и практических исследований дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, методов их устройства и контроля качества определены доминирующие параметры макрошероховатости, влияющие на срок службы и качество дорожных покрытий.
Предложена концепция проектирования дорожных покрытий с шероховатой поверхностью автомобильных дорог, основанная на обеспечении срока службы плотным распределением щебня на поверхности дороги и обеспечением коэффициента сцепления подбором и регулированием диапазонов фракций используемого щебня и реализацией требуемой разновысотности выступов щебня.
Показана большая степень зависимости коэффициента сцепления с разновысотностью зерен уложенного щебня в сравнении с высотой его выступов.
Разработана математическая модель оценки разновысотности шероховатой поверхности автомобильной дороги на основе применения теоретико-вероятностного подхода.
Предложен новый параметр для оценки макрошероховатости дорожного покрытия - дисперсия высот выступов, обладающего свойством инвариантности к выбору базы измерения
Предложено с учетом современной интерпретации использовать основные положения государственного стандарта на шероховатые поверхности {1973 г.) для проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью-
Разработан способ контроля качества устройства шероховатой поверхностной обработки и обеспечения коэффициента сцепления за счет регулирования величины диапазона и распределения размеров зерен в диапазоне фракции зерен с учетом разновысотности высот выступов зерен уложенного щебня.
Основные положения, выносимые на защиту,
Обоснование основных доминирующих параметров макрошероховатости, влияющих на срок службы и качество дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Обоснование вывода о большей степени зависимости коэффициента сцепления с разновысотностью зерен уложенного щебня в сравнении с высотой его выступов.
Структура математической модели оценки разновысотности шероховатой поверхности автомобильной дороги на основе применения теоретико-вероятностного подхода,
Концепция проектирования дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, основанная на обеспечении срока службы плотным заполнением щебня на поверхности дороги и обеспечением коэффициента сцепления подбором и регулированием диапазонов фракций щебня, а также за счет использования основных положений государственного стандарта на шероховатые поверхности (1973 г.).
Обоснование необходимости включения новых параметров нормирования шероховатости дорожных покрытий с шероховатой поверхностью в единую систему диагностики и паспортизации, оценки технико-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в дорожном хозяйстве Российской Федерации.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Основные полученные результаты нашли свое отражение в разработанном при участии автора отраслевом дорожном методическом документе «Рекомендации по устройству дорожных покрытий с
8 шероховатой поверхностью» (взамен ВСН 38-90), регламентирующего типы и виды поверхностных структур дорожных покрытий и их эксплуатационные свойства; принципы назначения тех или иных типов и видов поверхностных структур в зависимости от условий движения и природных факторов; принципы организации технологического процесса и технологий производства подготовительных, основных и завершающих работ; принципы содержания и ремонта шероховатых поверхностей покрытий; виды и методы контроля качества, утвержденного к применению в дорожном хозяйстве страны в 2004 году Министерством транспорта Российской Федерации, Реализация работы осуществлена также путем издания отраслевой обзорной информации.
Проведены работы по контролю качества устройства одиночной шероховатой поверхностной обработки методом синхронного распределения вяжущего и щебня битумощебнераспределителями различных типов в различных регионах станы. Отработана методика использования разработанного программного комплекса при контроле качества дородных покрытий с шероховатой поверхностью в расчетном и автоматизированном режиме.
Объектом исследований являются дорожные покрытия с шероховатой поверхностью, для которых проводится совершенствование нормативно-методического обеспечения контроля качества с предложением дополнительных параметров макрошероховатости со свойством инвариантности к базе измерения.
Предметом исследования является выбор доминирующих параметров макрошероховатости, влияющих на коэффициент сцепления колеса автомобиля с покрытием автомобильной дороги, возможность использования положений Государственного стандарта на шероховатые поверхности 1973 года применительно к дорожному хозяйству.
Методы и средства исследований. Методы строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, методы обеспе-
9 чения безопасности дорожного движения, методы технологии машиностроения, управления априорно неопределенными техническими системами, метрологическое обеспечение, методы и технические средства экспериментальных исследований и обработки статистических данных и др.
Достоверность научных положении и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается хорошим соответствием с методическими подходами нормирования и контроля качества шероховатости в близких и смежных отраслях науки и техники, практическим применением полученных результатов при устройстве дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. Исследование выполнено с учетом современных представлений о формировании технических системы взаимодействия колеса автомобиля с дорожным покрытием, с применением новейших методов информационного обеспечения» на основе использования системного подхода при проектировании и контроле качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Апробация, Основные научные положения и результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском научно-практическом семинаре по инструментальным средствам диагностики автомобильных дорог (г. Саратов, 2002 г.). Всероссийских научно-технических конференциях по диагностике автомобильных дорог в 2003-2004 г.г. (г. Саратов), Всероссийском совещании работников научных организаций дорожного хозяйства (2004 г., г, Москва), на Всероссийском научно-практическом семинаре ^Диагностика и паспортизация автомобильных дорог и искусственных сооружений, и использование автоматизированных банков» (г. Саратов, 2004 г.), Международной научно-технической конференции РАН «Динамика технологических систем» (г, Саратов, 2004 г.), Международном научно-техническом семинаре "Совершенствование конструктивно-технологических решений при строительстве мостовых сооружений" (г. Саратов, 2005 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре «Новые технологии проектирования и устройства дорожных
10 покрытий с шероховатой поверхностью» (г. Владимир, 2006 г.), технических советах Департамента эксплуатации и сохранности автомобильных дорог Государственной службы дорожного хозяйства Минтранса России (г. Москва, 2003 г.), в научно-технических и научно-методических конференциях Саратовского государственного технического университета, заседаниях научно-технического совета ФГУП «РосдорНИИ» и кафедр «Строительство дорог и организация движения» и «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе отраслевая обзорная информация,
Струюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и приложений. Работа изложена на 140 машиной, стр., содержит 24 рисунка и 14 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, основные положения, выносимые на защиту» дан краткий обзор содержания диссертации по главам, приведены необходимые сведения о публикациях и об апробации.
Основным содержанием первой главы является аналитический обзор литературы по теме исследования. Проводится анализ исследований, проводимых ведущими научными организациями и специалистами дорожного хозяйства. В их исследованиях обоснована необходимость в оценке не только сцепных качеств покрытий, но также и его шероховатости, при этом особое значение приобретает контроль параметров макрошероховатости, к которым относятся высота выступов, угол и радиус при вершине выступов, расстояние между ними и др.
В настоящее время общая протяженность сети федеральных дорог составляет около 47 тыс. км. Исходной информацией для назначения работ
по ремонту и содержанию автомобильных дорог служат результаты ежегодных обследований, на основании которых формируется отраслевой автоматизированный банк дорожных данных (АБДД "Дорога"). Одним из видов работ является оценка состояния покрытий для планирования объемов работ по текущему ремонту и содержанию, которое оценивается по наличии на его поверхности ряда дефектов, показателями ровности и сцепными качествами, оказывающими влияние на формирование дорожной аварийности и режимы движения транспорта. Анализ ДТП показывает, что в качестве сопутствующих причин их возникновения отмечаются низкие сцепные качества (до 40 %), дефекты покрытия (выбоины, трещины, сколы и др.) до (25 %), неудовлетворительная ровность (до 20 %), колейность (до 12%) случаев.
Статистические данные по аварийности свидетельствуют об уменьшении количества ДТП с улучшением сцепных качеств покрытий и повышением его шероховатости. Установлено, что существует взаимосвязь между параметрами шероховатости и коэффициентом сцепления, которая проявляется в результате контактирования поверхности скользящей шины с неровностями» обладающими определенным сочетанием геометрических параметров. Неровности характеризуют микро- и макрошероховатость, которые формируют разные текстуры покрытия, имеющие в каждом случае свои отличительные особенности.
В настоящее время для оценки транспортно-эксплуатационных показателей покрытий используют различные методы, которые закреплены в соответствующих нормативных документах. В нашей стране и во многих зарубежных странах шероховатость оценивается методом «песчаного пятна», который позволяет определять только один геометрический параметр - среднюю высоту выступов. Данный метод имеет значительную погрешность измерений и позволяет проводить только качественную оценку шероховатости, В работе показывается, что использование метода на этапе эксплуатации автомобильной дороги можно проводить с учетом
12 коэффициентов приведения, учитывающих срок службы покрытия. Существуют другие методы оценки шероховатости, например, ощупывание поверхности игольчатым щупом, в результате которой записывается профиль поверхности.
Определены основные параметры шероховатости, вызывающие изменение коэффициента сцепления колеса автомобиля с поверхностью дороги. Количественная оценка шероховатости для автомобильных дорог регламентируется с помощью высотных и шаговых параметров, задаваемых в ГОСТ 2789-73, В их число входят среднее арифметическое отклонения профиля, наибольшая высота неровностей профиля, средний шаг неровностей по вершинам, а также среднее арифметическое значение высоты неровностей профиля (ординат от гребня вершины до дна углубления). Дополнительные характеристики - средний радиус кривизны и средний угол вершин неровностей. Базовая длина выбирается с учетом обеспечения точности измерения и размеров пятна контакта колеса автомобиля с дорожным покрытием.
Проведен обзор, который высветил ряд проблем, связанных с задачами классификации, проектирования, технологий устройства и контроля качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, которые заключаются в отсутствии единого методического подхода, регламентирующего требования к поверхности покрытий, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства, безопасность и удобство движения, прочность, высокую ремонтопригодность, информативность и содержательность методов контроля.
Приведены результаты анализа методов нормирования, организации работ и технологий устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью и слоев износа автомобильных дорог, анализа нормативно-технической и патентной литературы, основного нормативно-методического документа ВСН 38-90, отмечаются особенности выбора и контроля
13 качества материалов для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. Сформулированы задачи исследований.
Во второй главе обоснована необходимость в переработке ВСН 38-90 с включением в разрабатываемый технический документ требований к шероховатости поверхности покрытий в зависимости от его функционального назначения, принципов назначения типов и видов поверхностного слоя покрытия, специфических требований к материалам для устройства поверхностных слоев, принципы выбора технологий устройства и особенности содержания и ремонта, а также способы контроля качества. Рассматриваются методы организации, техника и технологии работ по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Проводится подробный анализ зарубежного и отечественного опыта технологии работ по устройству шероховатых поверхностных слоев на покрытиях автомобильных дорог, устройства дорожных покрытий на мостовых сооружениях, машин и механизмов для устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью.
Осуществляется сбор информации о способах и методах устройства шероховатых слоев в различных регионах России. Проведен сопоставительный анализ их эффективности. Наиболее простой и конкурентоспособной остается технологическая компоновка машин для синхронного распределения вяжущего и щебня, выполненная по схеме из отдельных битумо- и щебнераспределителей или с прицепным распределителем щебня (например, с навесным прицепом БЦМ-70).
Данная компоновка машин не предполагает использования дополнительного перегружателя щебня, что адаптирует их под российские условия и квалификацию дорожных рабочих и резко снижает материальные затраты дорожных предприятий, а также требования к организации технологического процесса. Имеется возможность дополнительной автоматизации и дальнейшего развития идеи агрегатно-модульного принципа построения технологических комплексов и синхронного раздельного распределения
14 вяжущего и щебня.
Важнейшим преимуществом таких компоновок является возможность использования технологического оборудования и для других видов дорожных работ в различные периоды года. Прогнозируется, что подобные компоновки дорожных машин станут базовыми для дорожного хозяйства страны.
Обосновывается, что увеличение конкретно высоты (средней или максимальной) неровностей не приведет к изменению условий, которые вызовут изменение нормируемого коэффициента сцепления колеса автомобиля с поверхностью дороги. Встает задача поиска такого геометрического параметра шероховатой поверхности автомобильной дороги, изменение которого будет существенно более коррелироваться с изменением коэффициентом сцепления.
Основной задачей при устройстве шероховатых поверхностных обработок 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 срока службы, добиваясь наиболее плотного прилегания щебенок друг к другу и требуемых параметров макрошероховатости по высоте.
Предлагается введение выявленных параметров в методический и теоретический аппарат дорожной науки относительных оценок и гипотез влияния параметров шероховатостей на характеристики технико-эксплуатационного состояния автомобильных дорог, в систему диагностики и паспортизации автомобильных дорог России, создание методического обеспечения системы контроля качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью,
В третьей главе представлены результаты разработки математической модели нормирования, принципов проектирования и контроля качества шероховатой поверхности автомобильной дорог. Рассматриваются
15 методы исследования и контроля качества шероховатых структур дорожных покрытий. Анализируются параметры шероховатости автомобильных дорог, влияющих на состояние контакта дороги с колесом автомобиля.
Автором разработано методическое обеспечение проектирования и контроля качества шероховатости покрытий автомобильных дорог, которое заключается в формировании дополнительных показателей, обладающих свойством инвариантности к выбираемой базе измерений.
Приводится подробная структура математической модели оценки шероховатости автомобильной дороги на основе применения теоретико-вероятностного подхода, ранее примененного в технологии машиностроения профессором А.В, Королевым (СГТУ). Предложено использовать в интерпретации автора основные положения государственного стандарта на шероховатые поверхности (1973 г.) для проектирования и устройства шероховатых поверхностных слоев автомобильных дорог. Показано, что доминирующим параметром является разновысотность выступов шероховатости.
Результаты измерений параметров шероховатости на участке работ обрабатываются статистически. По полученным значениям оценивается качество шероховатого слоя путём сравнения среднего значения измеренных параметров с проектными. Для автоматизации измерения и расчёта шероховатости рекомендуется использовать автоматизированный программный модуль.
Используя величины параметров шероховатости поверхности покрытий возможно устанавливать характеристики транспортно-эксплуата-ционных показателей дороги, динамику их изменения в процессе эксплуатации покрытия в зависимости от типа покрытия, вида используемого материала, технологии устройства и эксплуатации, погодно-климатических факторов, интенсивности и состава движения. Анализируя динамику изменения параметров шероховатости в процессе эксплуатации покрытия,
можно устанавливать характеристики износа и долговечности поверхностного слоя и межремонтные сроки.
Для оценки типа шероховатости покрытий в практических целях в процессе строительства или эксплуатации автомобильных дорог достаточно определять четыре основные характеристики шероховатых структур: среднюю глубину впадин (высоту выступов); средний шаг шероховатости; плотность контактов; разброс высот выступов.
Предполагается использование инструментальных средств измерения параметров шероховатости- С помощью портативного профиломера можно определить среднюю глубину впадин макрошероховатости, шаг макрошероховатости и средний диаметр элементов макрошероховатости. С помощью отпечатка структуры шероховатости в зоне контакта шины автомобиля определяется средний диаметр элементов активной шероховатости и активность контакта элементов макрошероховатости с шиной автомобиля. Контроль указанных параметров, а также дополнительного нового параметра - разброса высот выступов зерен щебня, в процессе эксплуатации позволяет оценить динамику износа шероховатых структур поверхностей дорожных покрытий и установления сроков возобновления требуемой шероховатости. Результаты обрабатывались с помощью разработанной при участии автора компьютерной программы анализа шероховатых поверхностей на основе программы Excel.
В четвертой главе представлены результаты проведения натурно-вычислительных экспериментов по контролю качества шероховатости дорожных покрытий.
Проводилось комплексное исследование дорожных покрытий с шероховатой поверхностью (одиночных шероховатых поверхностных обработок) в Поволжском федеральном округе в рамках плановых контрольных проверок Минтранса России,
Осуществлен натурно-вычислительный эксперимент по анализу дисперсии выступов (разновысотности) макрошероховатости на обследо-
17 ванных участках. Исследуются параметры высоты и глубины неровностей, их распределение по горизонтальной плоскости, разброс высот выступов. Приведены характерные примеры анализа разновысотности выступов шероховатости участков шероховатых поверхностных обработок.
Анализ полученных результатов шероховатости по параметру дисперсии (разновысотности) высот выступов показал его большую корреляцию в диапазоне 0,6-0,8 с коэффициентом сцепления, определяемым на данных участках прибором ГШК-МАДИ. Практическая реализация процесса измерения и контроля качества шероховатости дорожного покрытия подтвердила свойство инвариантности выбранного параметра макрошероховатости - дисперсии высот выступов макрошероховатости автомобильной дороги. Данный анализ показал, что для дисперсии высот выступов меньшей 1,0 разновысотность шероховатой поверхности можно признать малой, в диапазоне 1,0-2,0 - средней, больше 2,0 - высокой.
Разработан способ создания и контроля качества шероховатых поверхностных слоев автомобильных дорог, отличающийся тем, что обеспечение коэффициента сцепления с колесом автомобиля дополнительно осуществляют по разбросу размеров зерен в диапазоне фракции щебня, контроль качества проводят по оценкам разновысотности выступов зерен щебня, а разброс зерен щебня выбирают в соответствии с требуемыми параметрами шероховатости по заданному закону распределения.
В пятой главе представлены разработанные при участии автора рекомендации по совершенствованию технологии и методов контроля качества устройства шероховатых поверхностных обработок.
В приложении даны дополнительные сведения о технологиях и методах контроля устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, акты внедрения и испытаний.
Общие аспекты применения шероховатых поверхностей
В последние десятилетие практически во всех странах мира с целью повышения эксплуатационных свойств автодорожных покрытий широко используются шероховатые поверхностные слои покрытий (ШП).
Основной целью устройства ШП является повышение уровня безопасности движения (повышение гарантированного коэффициента сцепления) и защита покрытия от интенсивного разрушения под действием возрастающей автомобильной нагрузки и природных факторов.
На данный момент исследованы ряд характеристик ШП [13, 29, 34, 39-41], предложены и определены некоторые параметры шероховатости и произведена попытка классификации типов шероховатости, углубляется и совершенствуется технология работ по устройству ШП, совершенствуются и предлагаются новые методы их контроля качества.
Основные теоретические разработки и практический опыт устройства ШП, имеющиеся как у нас в стране, так и за рубежом на период 90-х годов прошлого столетия, обобщенно воплощены при разработке ВСН 38-90- И хотя этот технический документ нельзя назвать удачным, с позиции охвата всех аспектов ШП, тем не менее, он являлся толчком к более широкому (прежде всего в России) внедрению ШП при строительстве, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог [25, 58].
В тоже время практически во всех развитых странах мира ведутся поиски оптимальных конструкций и технологий ШП. Необходимость в обосновании оптимальных параметров при решении задач ШП возникает из-за многогранности и противоречивости многих свойств ШП. С одной стороны - при увеличении шероховатости увеличивается коэффициент сцепления и снижается вероятность аквапланирования, но с другой стороны - увеличивается коэффициент сопротивления движению и возрастает уровень шума при взаимодействии с шинами автомобилей.
Для выявления свойств ШП прежде всего необходимо определиться с параметрами, характеризирующими шероховатость. Так шероховатость поверхности определяется как совокупность неровности, характеризуемую высотой неровностей, относительно некоторой базовой поверхности (линии), и малыми шагами (расстояния между неровностями), выделенных с помощью базовой длины {отрезка в 20-150 раз больше максимальной высоты неровностей) [46, 48], Неровности поверхности подразделяют на общие (большие) неровности и местные (малые) неровности [62]. В практике дорожной терминологии большие неровности называют макрошероховатостью, а местные неровности микроше-роховатостъю. При этом макрошероховатости связывают с зернистой структурой шероховатых поверхностей, а микрошероховатость - с формой зерен. В зависимости от величины зерен, образующих макрошероховатость, предлагается классификация типов шероховатых поверхностей [74], При этом не всегда учитываются все функциональные свойства ІШХ Так по взаимосвязи параметров шероховатости и коэффициента сцепления существует подавляющее мнение, что коэффициент сцепления в основном зависит от макрошероховатости, в то время как это не так. Коэффициент сцепления шины автомобиля с поверхностью покрытия это сложный физико-механический процесс взаимодействия катящейся по покрытию шины с поверхностью покрытия, выраженный контактными усилиями, предотвращающими проскальзывание шины (буксование, переход на юз) в процессе движения относительно покрытия в плоскости контакта.
При увеличении слоя воды на поверхности покрытия на 1 мм сопротивление движению, возрастает на 5% [9]. Исходя из этого можно определить минимальную высоту шероховатости, соответствующую минимальному значению сопротивляемости покрытия движению, при мокром состоянии. Кроме того, минимальная высота выступов шероховатости покрытия должна быть больше активной толщины слоя воды на покрытии, вызывающей при определенных скоростях явление акваплани-рования.
Со структурой шероховатости поверхностей покрытия также тесно связан уровень шума на дорогах [60, 80-84, 90]. При увеличении структурных выступов шероховатости возрастает и уровень шума для снижения которого даже приходится применять противошумные слои дорожных покрытий.
Следует отметить, что исследований по влиянию параметров шероховатости на коэффициент сопротивления движению и на уровень шума в России не проводился, поэтому второй важной задачей, для оптимизации инженерных решений при обосновании параметров ТИП является изучение степени влияния характеристик шероховатости на ко 27 эффициент сопротивления движению и на уровень шума. Исходя из перечисленных аспектов ШП их классификации должна включать: Класс ШП, характеризующий основной технологический принцип их устройства - естественная и искусственная шероховатость. Естественная шероховатость - образуемая естественной структурой материала поверхностного слоя покрытия и зависимая от типа покрытия (цементобетон, асфальтобетон, щебеночное покрытие, мостовые, грунтовое улучшенное). Искусственная - образуемая либо специальным воздействием на покрытие, либо устройством специального дополнительного слоя шероховатости.
Устройство дорожных покрытий с шероховатой поверхностью на мостовых сооружениях
«Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» (взамен ВСН 38-90) распространяются и на устройство дорожных одежд мостового полотна- На покрытиях мостов в большинстве случаев используются технологии, применяемые для устройства шероховатых поверхностных слоев автомобильных дорог. Однако в последнее время этому вопросу стало уделяться большее внимание.
Например, создание эффективных противоскользящих покрытий для разводных пролетов мостов представляет собой серьезную техническую проблему, специфическую не только для г. Санкт-Петербурга с его большим количеством мостов и особыми климатическими условиями. В качестве исходных компонентов для создания износостойких противо 55 скользящих покрытий выбирают эпоксидные смолы, битумы, а также модифицированное сланцевое масло. Разработаны аминные отверждающие компоненты, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства покрытий. Исследовано влияние гибкоцепных олигомерных фрагментов молекул эпоксидных смол на релаксационные характеристики синтезируемого покрытия [99].
Исследования литого асфальтобетона, как объекта новой конструкционно-технологической природы, проходят уже на протяжении последних сорока лет, В настоящее время наиболее известны разработки ЮЭ.Васильева (МАДИ-ГТУ), касающиеся технологии приготовления литой асфальтобетонной смеси с применением серы (капитальный ремонт автодорожного моста в Крылатском в г, Москве), МСМелика-Багдасарова - для литых виброуплотняемых асфальтобетонных смесей, применяемых при ямочном ремонте в г, Москве, использования литых асфальтобетонных смесей на мостах в г. Санкт-Петербурге и при проведении ремонтных работ на автомобильных дорогах в ФУАД «Большая Волга», а также методические рекомендации ИДСахаровой (ФГУП СоюздорНИИ), «Рекомендации по применению литого асфальтобетона на мостовом переходе через р. Волгу в Саратовской области» (ИХ.Овчинников, В-НЛ1акаров, О.Н.Распоров).
Интересен опыт капитального ремонта автодорожного моста в Крылатском в г. Москве, который был произведен в декабре 2002 г, при температуре от -20 до -26С. Литая серная асфальтобетонная смесь была уложена в два слоя, В настоящее время можно отметить хорошую приживаемость материала к металлическому пролетному строению, устойчивость литого асфальтобетона к трещино- и колееобразованию в условиях повышенной интенсивности движения транспортных средств и особенностей облегченной конструкции пролетного строения.
Фактически лтой асфальтобетон является строительным материалом нового поколения, физико-механические характеристики которого не соот 56 ветствуют государственным стандартам на традиционный асфальто-бетон и должны иметь собственные нормативы как на особый дорожно-строи-тельный материал - асфальтобетон с обеспеченными литыми свойствами.
Следует отметить, что наиболее низка стоимость литых асфальтобетонных смесей, применяемых в ФУ АД «Большая Волга», и литых серных асфальтобетонных смесей- Стоимость литых асфальтобетонных смесей с применением полимерно-битумных вяжущих на 15-50% дороже стоимости традиционных асфальтобетонных смесей. Типовым приемом существенного удешевления стоимости дорожной одежды служит использование в качестве нижнего слоя покрытия традиционного асфальтобетона с устройством верхнего слоя покрытия из литой асфальтобетонной смеси.
Интересен опыт применения литой асфальтобетонной смеси на основе полимерно-битумного вяжущего для устройства конструкции дорожной одежды первой очереди мостового перехода через р. Волгу у с. Пристайного в Саратовской области [33].
Длина наибольшего мостового сооружения составила около 2 км с температурными деформациями пролетного строения до 1 м. Необходимо было учесть обычное для Саратовской области количество переходов через температурный «ноль» - около 60 (до 100), а также диапазон температуры окружающего воздуха для последнего десятилетия от -40 до 40СС и выше. Расчетная интенсивность движения составила 14 тыс. автУсут,
За основу было взято техническое решение фирмы Lemminkainen (Финляндия) - состав литой асфальтобетонной смеси и конструкция дорожной одежды мостового полотна. Проведенное технико-экономическое обоснование с учетом проектной интенсивности движения показало положительный результат расчета инвестиций проекта для этого решения.
При приготовлении литой асфальтобетонной смеси использовались местный песок, карельский габбро-диабаз и битум Саратовского НПЗ.
Технологические работы выполнялись специалистами финской фирмы Lemrmnkeinen с российскими дублерами» которые работы по укладке литой асфальтобетонной смеси в дальнейшем осуществляли самостоятельно. При работе использовались длиннобазовые регулируемые распределители щебня и литой асфальтобетонной смеси фирмы Linnhoff (ФРГ),
Особенностями литого асфальтобетона на основе полимерно-битумных вяжущих являются отсутствие необходимости в уплотнении (плотность равна 1), высокая сопротивляемость трещино- и колее-образованию, высокоциклическим нагрузкам, сдвиго- и морозоустойчивость, прекрасная совместимость с температурными деформациями мостовых металлических пролетов. Литой асфальтобетон органичен в работе с другими видами конструкционных элементов дорожной одежды мостового полотна: обычным асфальтобетоном, гидроизоляцией, деформационными швами, из него наилучшим образом устраиваются направляющие водосточных элементов. Свойства материала и технологии обеспечивают условия удаления воды с поверхности, а также требуемое сцепление колес транспортных средств с дорожным покрытием.
Полимерно-битумное вяжущее на основе СБС-полимера (кратон) обладает устойчивой высокомолекулярной структурой, великолепно связывает битум даже не самого высокого качества и исключает его вытапливание и избыточное образование на поверхности дорожного полотна, имеет хорошие адгезионные свойства по отношению к выбранному путем экспериментальных исследований каменному материалу - карельскому щебню из габбро-диабаза.
Применение литого асфальтобетона на основе полимерно-битумных вяжущих на мостовых сооружениях регламентировано рекомендациями по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью [33,56].
Контроль качества устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
Как известно, контроль качества подразделяется; на входной, технологический (операционный), выходной и эксплуатационный, охватывающий практически весь жизненный цикл любой продукции. На любой стадии контроля осуществляется сравнение фактических параметров качестве требуемыми или запроектированными. Таким образом, прежде всего необходимо определить (обосновать) требуемые параметры качества, способы и методы их измерения.
На стадии входного контроля анализу на степень соответствия фактических параметров качества требуемым свойствам поверхностного слоя покрытия (устанавливаемых заказчиком в виде требуемых эксплуатационных качеств покрытия), подлежат следующие элементы: технический проект и проект организации строительства; проект производства работ, поступающие материалы и полуфабрикаты; технологические машины и оборудование; кадры; качественные характеристики нижележащего слоя, В техническом проекте должны быть освещены и обоснованы технические решения.
В проекте организации строительства должны содержаться: календарный план и линейный календарный график организации строительства: генплан строительства с расположением производственных баз и предприятий строительства; путей сообщения, станций и баз снабжения, сведения об объемах работ (подготовительных, строительно-монтажных, заготовительных и транспортных, с распределением по годам; данные о потребности в дорожно-строительных материалах, оборудовании, машинах, транспортах, кадрах).
В проекте производства работ должны содержаться: детальные календарные планы и графики производства работ: уточненный генеральный план строительства с расположением производственных предприятий, постоянных и временных дорог, пунктов снабжения, сетей электроснабжения, складов и т.п.) сведения о конструкциях и объемах производимых работ; графики потребности в строительных машинах, транспорте, рабочих; перечень, объемы и графики выполнения подготовительных работ; графики поступления материалов, изделий, оборудования; технологические карты и схемы производства работ, указания по технике безопасности.
Особое внимание в проекте производства работ необходимо уделять правильности составления технологической карты и ее соответствия требованиям конструкции и эксплуатационным свойствам поверхности покрытия. Качество поступающих материалов проводятся в соответствии с требованиями ГОСТов, на соответствующие виды материалов и полуфабрикатов. Качество технологических машин и оборудования проверяется по степени их соответствия технологическим картам, паспортным данным и соответствия технологическим режимам.
На стадии технологического (операционного) контроля осуществляется проверка степени соответствия технологических условий, технологических режимов и норм расходов материалов запроектированным (указанным в технологической карте). Операционный контроль в основном осуществляется производителем работ и выборочно «заказчиком». Количество, интенсивности, виды и методы контролируемых параметров, а также допускаемые отклонения от проектных, должны указываться в технологаческих картах в разделе «контроль качества работ». Ряд параметров качества работ при устройстве поверхностных слоев регламентируются СНиП 3.06.03-85. Специфические параметры, относящиеся к определенным видам устройства поверхностных слоев определяются по методикам, приведенным в нормативно-технических документах [67-73].
На стадии выходного (сдаточного) контроля контролируются параметры, характеризующие готовый конструктивный слой и степень его соответствия запроектированным или нормативным значениям. Основные параметры качества регламентированы СНиП 3.06.03-85 [64], Однако вызывает сомнение нормы ровности и сцепления, Так для асфальтобетонных и цементобетонных покрытий допускаются неровности до 1 см под 3-х метровой рейкой, что для дорог высоких технических категорий I и II является недопустимой (см. [64] ур. 13), для обеспечения расчетных скоростей. Минимально допустимые коэффициенты сцепления, регламентируемые СНиП 3.06.03-85, (см. табл. 18), не дифференцированы для различных категорий дорог и занижены по сравнению с нормами СНиП 2.05.02-85 (см. табл. 46) и нормами приложения к СНиП 3.06.03-85 (см. табл. 9). Учитывая исследования ученых Украины [42], которые на основе анализа отечественного и мирового опыта пришли к заключению о необоснованности ряда норм по сцеплению, а также исследования ученых Греции, пришедших к выводу о возможности прогнозирования сцепных качеств покрытий по параметрам структуры поверхности, и исследования, проведенные в Саратовском государственном техническом университете и ФГУП СНПЦ «Росдортех», пришедших к тому же выводу, можно предложить исключить норму по коэффициенту сцепления, ограничившись лишь нормами по параметрам структуры поверхности покрытия, обеспечивающие гарантированные минимально необходимые сцепные качества, минимально возможные коэффициенты сопротивления движению и уровень шума [69].
Разработка способа создания и контроля качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью
В процессе исследований автором совместно с ПВ.Федотовым разработан способ создания и контроля качества дорожных покрвытий с шероховатой поверхностью.
1, Способ создания и контроля качества дорожных покрытий с шероховатой поверхностью, заключающийся в том, что первоначально подготавливают поверхность дороги к нанесению шероховатого слоя, распределяют материал поверхностного слоя на заданную высоту, при этом обеспечивают требуемую высоту неровностей шероховатого поверхностного слоя, регулируют плотность прилегания щебня друг к другу, далее проводят уход за состоянием поверхностного слоя, отличающийся тем, что регулирование по обеспечению коэффициента сцепления с колесом автомобиля дополнительно осуществляют по разбросу размеров зерен в диапазоне фракции щебня, а контроль качества проводят по оценкам разновысотности выступов зерен щебня. 2. Способ по формуле 1 отличающийся тем, что разброс зерен щебня выбирают в соответствие с требуемыми параметрами шероховатости по заданному закону распределения. 3. Способ по формуле 1,2 отличающийся тем, что закон распределения выбирается близким к нормальному. 4. Способ по формуле 1,2 отличающийся тем, что закон распределения обеспечивается смешиванием фракций щебня с меньшим разбросом в заданном диапазоне. 5. Способ по формуле 1?2 отличающийся тем, что разброс высот неровностей и расстояний между ними для шероховатого поверхностного слоя формируют путем распределения фракции щебня с заданным законом распределения и укатки катками с заданным рельефом. 6. Способ по формуле 1,2 отличающийся тем, что закон распределения изменяют в диапазоне до 3 мм от максимального значения диапазона фракции щебня. 7. Способ по формуле 1,2 отличающийся тем, что закон распределения обеспечивается смешиванием фракций щебня с различной твердостыа
Способ включен составной частью в дорожный методический документ «Рекомендации по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью», утвержденном к применению в дорожном хозяйстве страны в 2004 году Министерством транспорта Российской Федерации 4.3. Обоснование необходимости применения лазерного датчика для измерения шероховатости дорожного покрытия
Согласно нормативным документам {например, СНиП 3,06.03-85 «Автомобильные дороги»)» для обеспечения безопасности движения автомобильного транспорта необходимо обеспечение качественного сцепления поверхности колес транспортного средства с дорожным покрытием. Для этого предусмотрена специальная поверхностная обработка, как для асфальтобетонных, так и для цементобетонных покрытий. При этом проводится обязательная проверка шероховатости покрытия для обеспечения необходимого коэффициента сцепления. Точно такая же проверка шероховатости проводится в процессе эксплуатации автодорог.
В настоящее время допустимо проводить либо проверку коэффициента сцепления прибором типа ПКРС-2У, либо проверку шероховатости. При этом в СНиП в качестве измерения шероховатости указан метод «песчаного пятна». ПКРС-2У работает периодически и не может проверять коэффициент сцепления 100% дорожного полотна, согласно СНиП необходимо проводить измерения не менее 20% дорожного полотна на каждой полосе. Кроме этого процесс измерения коэффициента сцепления с помощью ПКРС-2У невозможно совместить с другими измерениями, проводимыми дорожной лабораторией- Метод «песчаного пятна» крайне непроизводителен, т.к. требует большого объема ручного труда. Кроме этого метод неточен, т.к. основан на субъективной оценке размеров песчаного отпечатка. Согласно СНиП 3,06,03-85 «Автомобильные дороги» требуется не менее 5 измерений на 1000 м дорожного полотна на каждой полосе наката для каждой полосы движения.
Предлагается метод непрерывного измерения шероховатости лазерным датчиком, устанавливаемым в составе передвижной дорожной лаборатории КП-514МП.
Применение лазерного датчика для измерения шероховатости дорожного полотна имеет следующие преимущества: 1. Непрерывность процесса измерения; 2. Возможность совмещения процесса измерения шероховатости с измерением геометрических параметров дороги и др.; 3. Возможность автоматизации как процесса измерения, так процесса занесения характеристик дорожного полотна в базу данных, например, «Титул» и др.; Применение данного метода позволит отказаться от сплошной проверки коэффициента сцепления с помощью ПКРС-2У, и использовать его только на «подозрительных» участках с малым уровнем шероховатости, что повысит производительность дорожной лаборатории при диагностике автомобильных дорог.
