автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Исследование работоспособности тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня на цементобетонных основаниях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНАЯ

АКАДЕМИЯ (СибАДИ)

На правах рукописи

Агалаков Юрий Адольфович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОНКИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ

ЩЕБНЯ НА ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ОСНОВАНИЯХ Специальность 05.23.11. - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

A.B. Смирнов Научные консультанты Кандидат технических наук, доцент

И.Н. Христолюбов Кандидат технических наук, доцент

B.Н. Завьялов

Омск - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....7

1.1. Анализ способов ремонта цементобетонных покрытий......7

1.2. Критерии обеспечения долговечности тонких асфальтобетонных покрытий на цементобетонном основании..........11

1.3. Анализ методов расчета толщины асфальтобетонных

покрытий на цементобетонном основании.............23

1.4. Выводы, цель и задачи исследования................34

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЦЕМЕНТОБЕТОННОМ ОСНОВАНИИ ПРИ ТОРМОЗНЫХ И ТЯГОВЫХ КОЛЕСНЫХ НАГРУЗКАХ................36

2.1. Аппроксимация форм контактных давлений от движущейся колесной нагрузки для динамических задач устойчивости дорожных покрытий.........................36

2.2. Обоснование расчетной схемы исследования напряженного состояния асфальтобетонных покрытий с применением метода конечных элементов..........................43

2.3. Результаты исследования напряженного состояния асфальтобетонного слоя на цементобетонном основании............53

Выводы.................................69

Глава 3. ЛАБОРАТОРНАЯ ПРОВЕРКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОНКОСЛОЙНОГО АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЩЕБНЯ С ЦЕМЕНТОБЕТОННЫМ ОСНОВАНИЕМ...............70

3.1. Подбор составов смеси.........................70

3.2. Исследование прочности на срез асфальтобетона с повышенным

содержанием щебня по контакту с цементобетонным покрытием . 75

3.2.1. Методика исследования и оборудование...........75

3.2.2. Исходные материалы......................86

3.2.3. Результаты лабораторных исследований...........88

Выводы....................................95

Глава 4. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ТОНКИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЩЕБНЯ НА ЖЕСТКИХ ОСНОВАНИЯХ . 96

4.1. Технология экспериментального строительства тонких макро-шероховатых слоев покрытий с повышенным содержанием

щебня по цементобетону........................96

4.2. Оценка состояния тонких асфальтобетонных покрытий на дорогах

и опытных участках во времени.....................115

4.2.1. Методика проведения оценки..................115

4.2.2 Результаты оценки........................120

4.2.3 Сравнение теоретических, лабораторных и опытно-производственных исследований взаимодействия однослойного асфальтобетонного покрытия с цементобетонным основанием............................126

4.3. Оценка работоспособности тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня на цементобетонном основании.................................129

4.4. Сравнение расчетных и фактических сроков службы тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня. . 134

Выводы.....................................138

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НАЗНАЧЕНИЮ И УСТРОЙСТВУ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РЕМОНТЕ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ ОСНОВАНИЙ...............139

5.1. Минимально допустимые толщины асфальтобетонных

покрытий на цементобетонных основаниях............. 139

5.2. Технологические рекомендации и определение экономической

эффективности.............................143

5.2.1. Требования к асфальтобетонным смесям с повышенным содержанием щебня......................143

5.2.2. Особенности технологии устройства тонких асфальтобетонных покрытий из горячей асфальтобетонной смеси

с повышенным содержанием щебня..............145

5.2.3. Экономическая эффективность применения тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня при ремонте цементобетонных оснований......149

Выводы....................................153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................154

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............156

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Разработка математической модели влияния толщины

асфальтобетона, состава асфальтобетонной смеси и состояния поверхности цементобетонного покрытия на сопротивление срезу асфальтобетона в зависимости от условий его загружения...............176

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты на строительство и обследование опытных участков. 182

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты о внедрении результатов диссертационной работы. .207

ВВЕДЕНИЕ

Перестройка экономики нашей страны требует напряженной работы во всех без исключения областях народного хозяйства. Важнейшая задача дорожников является повышение эксплуатационных качеств автомобильных дорог, безопасности и удобства движения. Улучшение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог даст возможность значительно повысить производительность автомобильного транспорта и снизить себестоимость перевозок, т.е. способствовать переводу его на интенсивный путь развития при наименьших затратах в материальных и людских ресурсах.

Как показывают обследования в последнее время на автомобильных дорогах с цементобетонным покрытием вследствие увеличения интенсивности движения, осевых нагрузок и удельного веса автомобилей большой грузоподъемности в составе движения, наблюдается их интенсивное разрушение. Оно сопровождается резким снижением ровности и сцепных качеств покрытия.

Отсутствие эффективного способа ремонта поверхностных разрушений цементобетонных покрытий сочетающего в себе высокую технологичность, низкую стоимость, долговечность с обеспечением требуемых нормами сцепных качеств покрытия в течении срока службы, препятствует нормальной их эксплуатации и создает дополнительные трудности для широкого применения этих покрытий.

Поэтому разработка эффективного и быстрого метода ремонта цементобетонных покрытий имеет важное значение.

Наиболее распространенным способом ремонта цементобетонных покрытий, как у нас в стране, так и за рубежом, является устройство двухслойных асфальтобетонных покрытий, толщиной не менее 12 см с устройством поверхностной обработки. Однако продолжающаяся постоянная тенденция к росту стоимости дорожно-строительных материалов, особенно битума и каменных

материалов, вынуждает искать пути их экономии при проведении строительных и ремонтных работ.

В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся экспериментальные работы по устройству тонких асфальтобетонных покрытий. Однако научного обоснования толщины таких покрытий и технологии их устройства не сделано. В настоящем исследовании сделана попытка восполнить этот пробел.

Автор выражает искрению признательность доц. A.A. Малышеву и проф. A.B. Смирнову, которые стояли у истоков этих исследований, а также благодарит доц. И.Н. Христолюбова за поддержку в выполнении данной работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ способов ремонта цементобетонных покрытий

Обследования автомобильных дорог с цементобетонным покрытием Москва-Волгоград, Новосибирск-Барнаул, Новосибирск - Ленинск-Кузнецкий, Барнаул-Рубцовск и др., выполненные СибАДИ, показали, что в последние годы под интенсивным движением и влиянием природно-климатических факторов началось их интенсивное разрушение [55, 101, 103, 118].

Основные деформации и разрушения поверхности цементобетонных покрытий, а также вероятные причины их возникновения, представлены в табл. 1.1. Следует отметить, что наиболее распространенным видом разрушения является шелушение цементобетонного покрытия.

На обследованных дорогах наблюдается резкое снижение коэффициента сцепления, особенно в неблагоприятные периоды года. Одним из решений этой проблемы, нашедшим свое отражение в ВСН 197-91 [51], стало устройство двухслойных асфальтобетонных покрытий, толщиной не менее 12 см, с устройством поверхностной обработки. Однако, как отмечалось выше, основными видами разрушений на этих покрытиях являются шелушение поверхности и выкрашивание каменных частиц. Поэтому устройство многослойного асфальтобетонного покрытия на этих участках не оправдано с экономической точки зрения. Для защиты цементобетона от дальнейшего разрушения научные организации начали поиски технических решений этой проблемы.

В практике дорожного строительства наиболее распространенным способом ремонта цементобетонного покрытия является применение в качестве защитного слоя поверхностной обработки [71, 98 107, 112, 168]. Но как показывает опыт устройства двойной и даже тройной поверхностной обработки, она не долговечна. Не решает проблемы даже применение различных добавок в вяжущее [97]. Применение эпоксидного вяжущего

Таблица 1.1.

Основные деформации и разрушения поверхности цементобетонных

покрытий по [4, 42, 72]

Виды деформаций и разрушений Причины их возникновения

Износ поверхности покрытия Недостаточная износостойкость материала покрытия

Выкрашивание материала покрытия -

потеря покрытием отдельных частиц Недостаточное сцепление вяжущего с

с образованием раковин на каменным материалом.

поверхности покрытия

Шелушение - выбивание цементного камня с поверхности покрытия, обнажение каменных частиц Недостаточная прочность и погодоус-тойчивость цементного камня из-за высокого водоцементного соотношения

Продольные криволинейные трещины Недостаточное уплотнение земляного полотна и краевых укрепительных полос

Сетка трещин Недостаточное уплотнение нижележащих слоев дорожной одежды.

Проломы сухие Недоуплотнение земляного полона

Проломы мокрые Переувлажнение земляного полотна

Разрушение швов Переувлажнение земляного полотна. Отсутствие заполнителей в швах, нарушение технологии заполнения швов герметиками, использование некачественных заполнителей

Разрушение кромок Недоувлетворительное состояние обочин, занижение обочин

эффективно, но трудоемко и недоступно из-за своей высокой стоимости [19, 120]. Восстановление слоя износа устройством нового цементобетонного покрытия очень трудоемко и требует отвода движения автомобилей с дороги на длительный период [35, 36, 111, 164, 166]. Применение холодной асфальтобетонной смеси по цементобетонному покрытию не обеспечивает высокой прочности устраиваемого слоя и вызывает его быстрое разрушение [112]. Для предохранения цементобетонного покрытия от шелушения его поверхность обрабатывается различными маслами, растворами и кремнийорганическими соединениями [23, 48, 79, 93, 148]. Но применение этих растворов на участках, где процесс разрушения уже начат, может несколько задержать разрушение, но не остановить его [156].

Основные методы ремонта цементобетонных покрытий в западных странах были изложены на 5 Международном симпозиуме по бетонным покрытиям дорог [20]. Отмечается, что на первом плане на Симпозиуме стояли доклады по восстановлению изношенных цементобетонных покрытий. Тем не менее, выделены следующие направления ремонта цементобетонных покрытий:

- устройство нового покрытия со сплошным армированием бетона на существующем покрытии;

- ремонт толстыми слоями из асфальтобетона;

- ремонт тонкими слоями из асфальтобетона;

- устройство нового цементобетонного покрытия;

- ремонт тонкими слоями из бетона.

Нефтяной кризис в ряде стран Западной Европы в 70-х годах обусловили широкое применение при ремонтных работах в качестве замыкающих слоев тонких асфальтобетонных покрытий [140, 145, 151, 155, 159].

Так, в Германии тонкие слои устраивались из холодного асфальтобетона, строго определенных типов смеси с фракцией щебня 0...5, 0...8 и 0...11 мм с использованием особо стойких к истиранию минеральных материалов [143, 144, 146]. Тонкие защитные слои были устроены на автомагистралях с

интенсивностью движения 70 ООО авт/сут. Устраиваемые по особой технологии из специально подобранного состава тонкие слои после пяти лет эксплуатации находились в хорошем состоянии и имели шероховатую поверхность [162].

Самое широкое распространение по использованию тонких асфальтобетонных покрытий при ремонте жестких оснований нашло во Франции [137, 149]. В настоящее время там разработаны классы тонких асфальтобетонных покрытий, которые делятся на тонкие слои толщиной 35-50 мм и особо тонкие толщиной менее 30 мм [150]. Под каждый класс разработаны специальные технологии укладки слоев типа ACCODUIT, MEDIFLEX, ТРС 2000, GRANUCHAPE и др. [135, 139, 141, 147]. За счет применения каменного материала прерывистого гранулометрического состава эти слои обладают высокой шероховатостью. Для их устройства используют специальные машины. Интересен французский опыт использования предварительно приготовленных промышленным способом тонких ковриков, которые впоследствии приклеиваются к цементобетонным покрытиям. Такие коврики обладают большей трещиностойкостью, но меньшей износостойкостью [138].

На автомобильных дорогах Италии все шире внедряются тонкие пористые слои износа толщиной 4 см из открытых асфальтобетонных смесей, которые обеспечивают быстрый отвод воды с поверхности, исключают возможность гидропланирования, обеспечивают сцепные качества поверхности [157]. В ряде стран Европы были введены нормы на приготовление и укладку тонкослойных покрытий из нового типа щебеночномастичных смесей [163, 167].

В Венгрии тонкие слои износа, применяемые при ремонте цементобетонных покрытий, устраиваются только с использованием модифицированных битумов [142]. Это обеспечивает больший срок службы таких покрытий.

В США восстановление сцепных качеств цементобетонных покрытий выполняют путем устройства тонких эмульсионных смесей на шлаках и обожженных сланцах [161].

В нашей стране исследования по устройству тонких слоев из горячих и литых асфальтобетонов, щебеночных, пастовоминеральных смесей проводили Акишин С.М., Багдасаров С.М., Доронина Н.Д., Кононов В.Н., Королев И.Н., Лященко Г.И., Малышев A.A., Панина Л.Г., Христолюбов И.Н., Эрастов А.Я. и др. [1, 8, 37, 66, 67, 69, 70, 94, 95, 108, 133]. В настоящее время в НПО РосдорНИИ разработаны технические условия на устройство тонких макрошероховатых слоев износа, где толщина слоя регламентируется в зависимости от максимального размера щебня в смеси [114].

Следует отметить, что в последнее время просматривается одно направление - применение тонких асфальтобетонных слоев при ремонте цементобетонных покрытий. Обследования СибАДИ показали, что некоторые производственные организации без расчетов, на свой риск, производят ремонт поверхности цементобетона, применяя однослойные асфальтобетонные покрытия толщиной 4-5 см. Это происходит из-за того, что в настоящее время нет достаточно обоснованной методики расчета толщины тонких слоев покрытий с учетом региональных особенностей и условий эксплуатации дороги.

1.2.Критерии обеспечения долговечности тонких асфальтобетонных покрытий на цементобетонном основании

Исследования, проведенные в нашей стране Басурмановой И.В., Богуславским A.M., Гезенцвеем Л.Б., Горелышевым Н.В., Железняковым М.А., Золотаревым В.А, Ивановым H.H., Орнатским Н.В, Кононовым В.Н., Медниковым И.А., Никольским Ю.Е, Пинчук Л.Н., Пополовой A.C., Смирновым A.B., Смирновым Э.Н., Черниговым В.А. и др. [11, 21, 26, 27, 39, 43, 47, 54, 65, 77, 80, 81, 82, 96, 100, 115, 116, 127], а также зарубежными

исследователями Гранчич A, Luther M.S., Schutzbach A.M. и др. [22, 153, 165] позволили выделить основные критерии обеспечения долговечности тонких асфальтобетонных покрытий, уложенных на цементобетоне - это работоспособность, сдвигоустойчивость, трещиностойкость, износостойкость.

Изучение работоспособности и долговечности дорожных покрытий в различных региональных условиях проводится в нашей стране с 30-х годов. До настоящего времени работоспособность асфальтобетонных покрытий определялась по величине износа, его ровности или числом пропущенных расчетных автомобилей [62, 99] и оценивалась способностью асфальтобетона длительное время сопротивляться многократно повторяющимся нагрузкам. Исследованиями Смирнова A.B. выделены основные методики оценки работоспособности дорожных конструкций, которые приведены в табл. 1.2. [117]. Как видно из таблицы, методики Карслона A.B.,. Телегина М.Я, СоюздорНИИ, ставили цель определения работоспособности через допустимый износ покрытия и являлись исключительно эмпирическими. Методики Бируля А.К., Коганзона М.С., Яковлева Ю.М. содержат более обоснованные с физических позиций функциональные связи между сроком службы дорожных одежд и работоспособностью. Методика. Яковлева Ю.М и Коганзона М.С. эмпирически связана с ровностью и, следовательно, со скоростью движения, как основным транспортным качеством дороги. В настоящее время, как у нас в стране, так и за рубежом развивается научное направление, связанное с оценкой показателей работоспособности через энергетический подход [117]. По этому направлению условием работоспособности дорожной одежды является

A<V (1.1)

где: А - работа