Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ

Купить Обзорная информация — официальный бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Официально распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль".

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

В данном выпуске обзорной информации приведены результаты лабораторных исследований, обследований опытных участков и эксплуатируемых дорог, а также результаты работ автора, направленные на снижение стоимости и повышение надежности дорожных конструкций с основаниями из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями, устраиваемых на наиболее распространенных дорогах III - IV категорий.

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ
2. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ТОНКОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА УКРЕПЛЕННОМ ГРУНТЕ
2.1. Анализ факторов, влияющих на дорожную конструкцию
2.2. Сдвигоустойчивость тонкослойного покрытия в зоне контакта с основанием из укрепленного грунта
2.3. Анализ типов тонкослойных покрытий и защитных слоев, устраиваемых на укрепленных грунтах
3. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СЦЕПЛЕНИЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ С ОСНОВАНИЯМИ ИЗ УКРЕПЛЕННОГО ГРУНТА
3.1. Определение расчетных величин сцепления
3.2. Анализ факторов, влияющих на сдвигоустойчивость в плоскости раздела тонкослойного покрытия с основанием из укрепленного грунта
3.3. Разработка требований к сцеплению
4. ОСОБЕННОСТИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИИ
5. СТРОИТЕЛЬСТВО ОПЫТНЫХ УЧАСТКОВ И ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДОРОГ
5.1. Технология производства работ
5.2. Обследование опытных участков
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Показать даты введения Admin

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ПО АВТОМОБИЛЬНЫМ ДОРОГАМ

Автомобильные дороги и мосты

Строительство дорожных одежд низкой стоимости с основаниями
из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями

Обзорная информация

Выпуск 1 - 2003

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

2. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ТОНКОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА УКРЕПЛЕННОМ ГРУНТЕ

2.1. Анализ факторов, влияющих на дорожную конструкцию

2.2. Сдвигоустойчивость тонкослойного покрытия в зоне контакта с основанием из укрепленного грунта

2.3. Анализ типов тонкослойных покрытий и защитных слоев, устраиваемых на укрепленных грунтах

3. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СЦЕПЛЕНИЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ С ОСНОВАНИЯМИ ИЗ УКРЕПЛЕННОГО ГРУНТА

3.1. Определение расчетных величин сцепления

3.2. Анализ факторов, влияющих на сдвигоустойчивость в плоскости раздела тонкослойного покрытия с основанием из укрепленного грунта

3.3. Разработка требований к сцеплению

4. ОСОБЕННОСТИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИИ

5. СТРОИТЕЛЬСТВО ОПЫТНЫХ УЧАСТКОВ И ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДОРОГ

5.1. Технология производства работ

5.2. Обследование опытных участков

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

В данном выпуске обзорной информации приведены результаты лабораторных исследований, обследований опытных участков и эксплуатируемых дорог, а также результаты работ автора, направленные на снижение стоимости и повышение надежности дорожных конструкций с основаниями из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями, устраиваемых на наиболее распространенных дорогах III - IV категорий.

Обзор подготовил канд. техн. Наук В.М. Ольховиков (ГП «Росдорнии»)

1. ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации более 20 областей не имеют каменных материалов. Необходимая в этих условиях перевозка щебня, используемого для строительства дорожных оснований, увеличивает его отпускную цену в 3 - 5 раз и является главной причиной удорожания строительства.

В связи с этим в условиях рыночной экономики при строительстве и ремонте автомобильных дорог прослеживается тенденция к применению конструкций и технологий, требующих для их реализации меньших затрат энергии и ресурсов.

Одной из наиболее эффективных возможностей снижения стоимости строительства и затрат ресурсов является использование в конструктивных слоях дорожных одежд укрепленных грунтов и других местных материалов. Технико-экономические расчёты, проведенные с учетом фактических производственных затрат показывают, что применение слоев из укрепленных грунтов вместо равнопрочных оснований из привозных каменных материалов приводит к снижению их стоимости на 20 - 60%.

Из строящихся в настоящее время автомобильных дорог большая их часть приходится на долю дорог III - V категорий, расположенных, в основном, в сельской местности. Поэтому в условиях скудного финансирования дорожной отрасли использование укрепленных грунтов является единственной реальной возможностью развития дорожной сети.

В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где применены укрепленные грунты при строительстве дорожных оснований и покрытий. Используют укрепленные грунты на дорогах I - V категорий, причем на дорогах I - II категорий - в качестве нижних слоев оснований, а III - V категорий - верхних слоев оснований и покрытий. Дальнейшее развитие этой технологии идет по пути совершенствования существующих и разработки новых методов укрепления (в основном комплексных) с применением известных и нетрадиционных вяжущих и вторичных ресурсов, создания новых эффективных грунтосмесительных машин, разработки современных методов экспресс-контроля.

Наибольшее распространение в нашей стране получили грунты, укрепленные минеральными вяжущими, в частности - цементом. Цементогрунт широко используется в качестве основания под капитальные типы покрытий на дорогах высших категорий, а также покрытий с защитным слоем на дорогах IV - V категорий, местных аэродромах и при строительстве подъездных путей.

Анализ работы дорожных конструкций с основаниями из цементогрунта свидетельствует о значительных их преимуществах при сравнении с традиционными основаниями из каменных материалов. Цементогрунтовое основание обеспечивает благоприятный водно-тепловой режим конструкции, снижение влажности активной зоны земляного полотна, хорошую ровность покрытия и полное отсутствие трещин усталостного характера.

Исследования физико-механических свойств цементогрунта, проведенные как в России [1, 2, 3], так и за рубежом [4, 5], показали, что цементогрунт обладает высокой прочностью при сжатии и при правильном подборе грунтов и дозировок цемента достаточно водо- и морозостойкий. Однако высокая хрупкость и истираемость (особенно в увлажненном состоянии) не позволяют его применить в качестве покрытия. В связи с этим необходимо проводить специальную защиту цементогрунта от воздействия движущихся транспортных средств при использовании его в качестве верхнего слоя дорожной одежды, а также при стадийном строительстве покрытий.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог показал, что применяемая в 60 - 70-е годы защита цементогрунта, выполненная в виде поверхностной обработки или тонкослойного асфальтобетонного покрытия, не всегда дает положительный эффект. Поверхностная обработка на цементогрунте недолговечна из-за разрушения верхнего слоя цементогрунта, часто ослабленного ввиду неправильного ухода в период его твердения.

Основными недостатками тонкослойных асфальтобетонных покрытий, устраиваемых на цементогрунте, являются их низкие трещиностойкость, а также сдвигоустойчивость в плоскости раздела [6, 7, 8]. Проведенные полевые обследования многих дорог нередко показывали полное отсутствие сцепления асфальтобетонного слоя с цементогрунтом и как следствие этого - значительные деформации покрытия в виде волн, сдвигов, разрывов. Жидкие битумы, широко используемые ранее в качестве подгрунтовки под асфальтобетон, из-за слабой когезии не обеспечивали должного сцепления асфальтобетона с цементогрунтом. Одной из основных причин сокращения долговечности асфальтобетонного покрытия на цементогрунте считается интенсивное трещинообразование в асфальтобетонном слое, являющееся следствием как усадочных и температурных трещин, появляющихся в самом цементогрунте, так и температурных трещин, образующихся в асфальтобетоне в зимний период.

В связи с этим разработчики ВСН 46-83 и ОДН 218.046-01 ограничили минимальную толщину покрытий из органоминеральных смесей 6 - 12 см для дорог с облегченным типом дорожной одежды. Очевидно, что выполнение указанных требований нереально и неэффективно при строительстве дорог III - IV категорий. Поэтому в результате длительной научной работы был разработан комплекс мероприятий, обеспечивающих сдвигоустойчивость в плоскости раздела и долговечность дорожной конструкции с основанием из укрепленного грунта и покрытием из органоминеральной смеси толщиной 4 - 6 см. Реализация этих мероприятий, изложенная в настоящей обзорной информации, позволила значительно повысить надежность конструкции и увеличить межремонтные сроки.

В период 1970 - 2000 гг. построено более 500 км дорог (в основном в Тамбовской, Пензенской, Московской областях) с основанием из укрепленного грунта и тонкослойным покрытием из различных органоминеральных смесей. При этом удалось сэкономить 15 тыс. т битума и отказаться от 1750 тыс. т привозного щебня.

Систематические обследования большого числа дорог с подобной конструкцией свидетельствуют о соответствии их транспортно-эксплуатационных показателей существующим требованиям при отсутствии ремонта в течение 6 - 8 лет.

2. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДОРОЖНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ТОНКОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА УКРЕПЛЕННОМ ГРУНТЕ

2.1. Анализ факторов, влияющих на дорожную конструкцию

Устойчивость любой дорожной конструкции предопределяется надежным взаимодействием всех ее элементов. Поэтому устойчивость дорожной одежды из укрепленного грунта с тонкослойным покрытием или защитным слоем обеспечивается за счет;

• плотного, прочного, морозостойкого слоя из укрепленного грунта;

• подгрунтовки, имеющей надежное сцепление с поверхностью укрепленного грунта и обеспечивающей требуемую сдвигоустойчивость в плоскости раздела;

• тонкослойного покрытия или защитного слоя, отвечающего требованиям сдвигоустойчивости, износостойкости и возможно большей водонепроницаемости.

Работа дорожной конструкции, состоящей из укрепленного грунта с тонкослойным покрытием или защитным слоем, весьма специфична ввиду незначительной толщины верхних слоев. Ударные нагрузки, вибрация, сдвиговые и вертикальные усилий от колесной нагрузки, а также факторы, связанные с неблагоприятными климатическими условиями, приводят к возникновению в дорожной конструкции соответствующих напряжений, а также способствует износу тонкослойных покрытий и защитных слоев.

Вертикальные усилия от колесной нагрузки вызывают изгибающие напряжения в монолитных слоях дорожных одежд. Наибольшие изгибающие напряжения возникают по оси действия нагрузки в нижней части покрытия. Величина этих напряжений зависит при прочих равных условиях от толщины слоя покрытия и отношения его модуля упругости к общему модулю упругости всех нижележащих слоев. Весенний период времени, когда покрытие из битумоминеральной смеси обладает сравнительно высокий жесткостью, а основание - значительной деформативностью за счет увлажнения земляного полотна, является наиболее неблагоприятным при работе покрытия на изгиб. С этой точки зрения условия работы тонкослойного покрытия, устроенного на основании из цементогрунта или грунта, укрепленного цементом совместно с битумной эмульсией, ввиду хорошей распределяющей способности таких оснований и меньшей их деформативности значительно благоприятнее по сравнению с работой оснований из дискретных материалов [9].

Горизонтальные усилия в дорожной одежде возникают в местах торможения автомобилей, при изменении скорости движения, на крутых уклонах и кривых. Эти усилия, доходящие до величины удельных вертикальных усилий, вызывают напряжение в слое покрытия и на его контакте с основанием, что может привести к деформированию покрытия или смещению его по основанию при высокой положительной температуре. Деформаций покрытия от горизонтальных усилий можно избежать, применяя для его устройства битумоминеральные смеси, характеризующиеся такими значениями угла внутреннего трения и сцепления, которые обеспечивают сдвигоустойчивость слою даже при условии внезапного торможения автомобиля.

Значительно сложнее избежать смещения покрытия относительно основания при воздействии больших горизонтальных усилий в летний период времени. Решение этой задачи усложняется тем, что максимальные напряжения при сдвиге совпадают с плоскостью раздела тонкослойного покрытия с основанием, а сцепление между ними снижается из-за уменьшения когезии вяжущего, используемого для подгрунтовки. При устройстве поверхностных обработок на покрытиях из укрепленных грунтов проблема сдвигоустойчивости в плоскости раздела не стоит так остро, ввиду возникновения в местах контакта щебенок с поверхностью укрепленного грунта значительных сил трения.

Влияние климатических факторов на дорожную конструкцию проявляется наиболее сильно в деформировании основания и покрытия с образованием трещин.

Дорожная конструкция воспринимает многократное приложение подвижной нагрузки, что способствует возникновению усталостных напряжений в связных слоях, а также непрерывному износу верхнего слоя. В большей степени износу подвержены защитные слои, устраиваемые по типу поверхностной обработки из несвязных материалов. Интенсивный износ поверхностных обработок обуславливается значительной неоднородностью слоя, неровностью его поверхности, слабостью связей между зернами минерального материала (особенно при высоких положительных температурах), а также возникновением значительных контактных напряжений в местах соприкосновения зерен щебня с укрепленным грунтом, вызывающих разрушение его поверхности.

На основании многочисленных обследований и приведенного выше анализа работы конструкции с тонкослойным покрытием или защитным слоем на укрепленном грунте можно сделать вывод о том, что основными критериями ее устойчивости можно считать: сдвигоустойчивость в плоскости раздела основания и покрытия, устойчивость против образования трещин, способность противостоять износу.

2.2. Сдвигоустойчивость тонкослойного покрытия в зоне контакта с основанием из укрепленного грунта

Условия работы тонкослойных покрытий и защитных слоев в конструкции отличаются между собой в значительной степени, поэтому термин «устойчивость» предполагает совершенно определенные требования к тому или иному способу защиты. Для тонкослойных покрытий из плотных битумоминеральных смесей основным таким требованием является обеспечение сдвигоустойчивости в плоскости раздела, а для поверхностных обработок целостности и износостойкости слоя от движения транспортных средств и воздействия климатических факторов.

Недостаточная сдвигоустойчивость тонкослойных покрытий из холодных битумоминеральных смесей и асфальтобетона в зоне контакта с основанием из цементобетона или цементогрунта характерна и для сегодняшнего дня и поэтому является предметом специальных исследований [10, 11, 12, 13]. Н.Н. Иванов [14] и В.М. Могилевич [15] также считают, что основными причинами разрушения конструкции с цементогрунтовыми (цементобетонными) основаниями и асфальтобетонными покрытиями являются отсутствие сцепления покрытия с основанием и недостаточная сдвигоустойчивость и водонепроницаемость покрытия. Подобного же мнения придерживается немецкий ученый Ю. Эрнст: «Долговечность конструкции обеспечивается только в том случае, если все слои дорожной одежды прочно связаны между собой и сопротивляются сдвигу как единое целое» [16]. Особое значение он придает надежному приклеиванию верхнего слоя покрытия, так как максимальные напряжения при сдвиге совпадают с плоскостью раздела слоев, и в случае неудовлетворительного их сцепления покрытие будет смещаться по основанию и в нем разовьются трещины. Хорошее склеивание тонкослойного покрытия с основанием способствует уменьшению усадочных напряжений в укрепленном грунте и изгибающих напряжений в слое покрытий, а также улучшению условий работы контактной зоны при воздействии на конструкцию воды и мороза [17].

В работе Н.П. Толстикова [11] предлагается несколько мероприятий, направленных на обеспечение сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия на цементогрунтовом основании. По его мнению, сдвигоустойчивость в плоскости раздела можно обеспечить лишь при наличии прочной, шероховатой поверхности цементогрунта и использовании подгрунтовок, обладающих хорошей адгезией и теплоустойчивостью. Ввиду того, что битумные вяжущие по физико-химическим свойствам разнородны с минеральными веществами, применяемыми для укрепления грунтов, а сами грунты являются многокомпонентной системой, которая плохо адсорбирует битум, автор этой работы предлагает для увеличения сцепления пленки подгрунтовки использовать глинобитумные пасты и предварительно обрабатывать поверхность цементогрунта известковым молоком. Но в связи с тем, что известь сорбирует битум значительно лучше глин, можно предположить, что применение известково-битумных паст даст лучшие результаты. Возможно, в этом случае будет исключена необходимость в предварительной обработке поверхности цементогрунта известным молоком. Наиболее радикальным способом повышения устойчивости однослойного асфальтобетонного покрытия на цементогрунтовом основании Н.П. Толстиков считает устройство между основанием и покрытием прослойки из битумогрунта толщиной 20 мм. Последняя рекомендация является весьма спорной, ввиду возможного нарушения сплошности покрытия из-за высокой деформативности битумогрунта при высокой температуре верхних слоев конструкции.

Проблемам устойчивости однослойного асфальтобетонного покрытия на цементобетонном основании посвящены работы М.Д. Шахназаровой [12, 18]. Ею отмечается тот факт, что на дороге всегда сдвигается асфальтобетонное покрытие по цементобетонному основанию. В исследованиях, посвященных повышению сдвигоустойчивости, можно выделить два основных направления - стремление увеличить площадь контакта и сцепление покрытия с основанием. Первую задачу автор пытался решить созданием шероховатой поверхности цементобетона и повышением удельных нагрузок при уплотнении асфальтобетонного слоя. Увеличить сцепление между слоями основания и покрытия предполагалось за счет использования в качестве подгрунтовки битумных эмульсий. В работе [12] показано, что их применение взамен битумов значительно повышает сдвигоустойчивость в плоскости раздела. В этой же работе автор отмечает в некоторых случаях значительное уменьшение сдвигоустойчивости в плоскости раздела после воздействия на конструкцию нескольких циклов замораживания-оттаивания. При недостаточном сцеплении двух слоев вода, попадающая в контактную зону, замерзает, разрушает поверхность цементобетона и нарушает сцепление покрытия с основанием.

Устойчивость тонкослойного покрытия в значительной мере зависит от площади контакта и взаимного его зацеплений с основанием, поэтому одной из самых действенных мер по увеличению устойчивости покрытия является повышение шероховатости основания. В настоящее время в ряде публикаций отмечается, что увеличение шероховатости является основной предпосылкой для повышения сдвигоустойчивости покрытия устроенного на основании из укрепленного грунта. Однако эти работы не содержат требований к сдвигоустойчивости. Одной из основных задач настоящей работы является обоснование таких требований и выявление возможных путей их достижения, исходя из лабораторных исследований и опытно-экспериментальных работ.

Проблема трещиностойкости конструкции с покрытием из плотной асфальтобетонной (битумоминеральной) смеси, уложенным на жесткое (полужесткое) основание, сложна и актуальна. Анализ многочисленных попыток решения этой проблемы приведен в главе 3.

2.3. Анализ типов тонкослойных покрытий и защитных слоев, устраиваемых на укрепленных грунтах

Типы защитных слоев и тонкослойных покрытий, устраиваемых на укрепленных грунтах, чрезвычайно разнообразны. Среди защитных слоев наиболее широкое применение находит одиночная, двойная или тройная поверхностная обработка с использованием в качестве вяжущего битума или битумных эмульсий (особенно в последние годы). В зависимости от вида каменных материалов и погодных условий применение находят как катионные, так и анионные эмульсии [19, 20].

Поверхностные обработки, устраиваемые на цементогрунте, в большинстве случаев довольно быстро разрушаются, что зачастую приводит к его интенсивному износу ввиду абразивного действия несвязного щебня при движении транспортных средств. Одной из действенных мер, предпринимаемых для увеличения срока службы поверхностной обработки на цементогрунте, следует признать пропитку его верхнего слоя жидким битумом с целью повышения его деформативности и снижения хрупкости [21].

Заслуживают внимания работы, посвященные продлению сроков службы поверхностных обработок путем улучшения свойств (прочности, эластичности) применяемых при этом вяжущих. Это достигается за счет растворения в них добавок полимеров в небольших количествах (2 - 3% от массы вяжущего). В качестве таких добавок используют латексы, термоэластопласты, каучуки [22, 23].

В Германии был осуществлен эксперимент по созданию защитного слоя на свежем (только что укатанном) цементогрунте путем розлива по его поверхности анионной эмульсии в количестве 1,6 л/м2 и россыпи каменной мелочи. Этот эксперимент интересен тем, что возникает возможность исключить операцию ухода за цементогрунтом и устранить технологический разрыв между укладкой цементогрунта и защитного слоя [24].

При исследовании свойств таких слоев, выполненных в виде поверхностных обработок, основным критерием устойчивости является износостойкость, предопределяющая их срок службы. Сдвигоустойчивость защитных слоев обеспечивается силами трения, возникающими между минеральными составляющими поверхностной обработки и основанием из укрепленного грунта.

Для прогнозирования сроков службы таких слоев и покрытий в лабораториях некоторых научно-исследовательских институтов России созданы специальные дорожки, на которых образцы испытывают многократными проходами специальных тележек на пневмоколесах. Такие же дорожки используются в исследовательских лабораториях многих стран [25, 26].

Значительное распространение в настоящее время имеют тонкие защитные слои из холодных органоминеральных смесей на битумных эмульсиях. Наиболее известен среди них - защитный слой «Slurry Seal», разработанный в США более 50 лет назад [27]. Эти смеси готовили на анионных эмульсиях путем перемешивания в автобетономешалках и укладывали вручную или с помощью распределителей ящичного типа. Смеси получали смешением крупного песка (высевок) с 7 - 10% цемента или извести, 20 - 25% быстрораспадающейся эмульсии и 10 - 15% воды, добавляемой до получения нужной консистенции. При укладке такая смесь распределяется выглаживающей лентой, а при движении транспортных средств вдавливается и проникает в поры и трещины основания, прочно сцепляясь с ним. Распад анионной эмульсии зависит от погодных, климатических условий и многих других факторов, поэтому смесь формируется в течение нескольких часов и подвергается в этот период опасности размыва дождем. Этих недостатков лишены катионные эмульсии, распад которых почти не зависит от погодных условий. Поэтому в последнее время стали применять смеси на быстрораспадающихся эмульсиях с катионоактивными эмульгаторами. Дальнейшим развитием этой технологии явилось создание самоходной универсальной машины, на которой смонтированы бункеры для песка и цемента, баки для эмульсии и воды, мешалка и навесной распределитель. Песок и цемент непрерывно подаются питателями в мешалку, увлажняются водой и затем смешиваются с эмульсией. Весь процесс идёт непрерывно, и готовая смесь распределяется сзади машины тонким слоем шириной 3,0 - 3,5 м. Через 15 - 30 мин происходит распад эмульсии и начинается формирование смеси, а через 1 ч можно открывать движение транспортных средств, регулируя в течение 1 - 2 ч их скорость (не выше 30 км/ч). В результате образуется плотный водонепроницаемый коврик, прочно связанный с покрытием.

Преимущества нового защитного слоя были быстро и по достоинству оценены во многих странах, где по примеру США стали разрабатывать составы смесей и средства механизации для приготовления и укладки тонких слоев с использованием анионных и катионных битумных эмульсий. В СССР первые километры такого защитного слоя были уложены однопроходной машиной Д-22 в 1976 г.

В настоящее время эта технология успешно внедряется в России как в средней полосе, так и в северных широтах [28, 29].

В ряде стран применение смесей на катионных эмульсиях сдерживается дефицитностью и высокой стоимостью катионоактивных эмульгаторов, а также отсутствием сложных в изготовлении однопроходных универсальных машин. В то же время возможность использования местных материалов в качестве эмульгаторов, простота изготовления и технологичность явились хорошими предпосылками для широкого распространения холодных битумоминеральных смесей на пастах. Наиболее известны такие смеси в Германии, России, Польше [30, 31]. Используя разработки ГП «Росдорнии», дорожники России уложили более чем на 3 тыс. км дорог защитный слой из холодной смеси на пасте.

Холодные смеси на пастах нашли также применение в качестве закупорочного слоя в крупнопористом покрытии. Впервые такая технология была использована в Германии в 60-е годы, где в качестве тонкослойных покрытий, укладываемых на укрепленный грунт, применяли открытые смеси из щебня, обработанного органическими вяжущим (черного щебня), толщиной слоя 3 - 4 см. Эти покрытия водопроницаемы. При попадании воды в дорожную одежду может произойти переувлажнение верхней зоны укрепленного грунта и самого покрытия и их разрушение осенью и весной при попеременном замораживании-оттаивании. Поэтому проблема создания водонепроницаемых покрытий, устраиваемых на укрепленных грунтах, является одной из основных в достижении долговечности таких конструкций.

Наиболее эффективной мерой по обеспечению водонепроницаемости покрытий из черного щебня является использование холодных смесей на пасте. В Германии для этой цели применяли смесь следующего состава: мелкий песок - 47,25%, битумная паста - 47,25%, вода - 5,5%. Состав битумной пасты: битум - 35%, эмульгатор (фильтр-прессная грязь) - 35%, вода - 40%. Смесь готовили по двухстадийному методу, смешивая в обычной бетономешалке песок, воду и битумную пасту, приготовленную заранее на битумной базе. Готовую смесь подвозили тракторным самосвалом и выгружали в прицепной распределитель ящичного типа. При движении последнего смесь, обладая хорошей подвижностью, заполняла пустоты и поры покрытия из черного щебня. Уже через сутки было открыто движение по построенному участку. Через несколько дней смесь сформировалась и уплотнилась, надежно предохраняя дорожную одежду от попадания в нее воды [32].

Используя положительный опыт Германии, автор данного обзора провел опытные работы в Татарстане с применением холодной смеси на пасте в качестве закупорочного слоя покрытия из черного щебня, уложенного на цементогрунт. Несмотря на укладку поздней осенью в холодную, сырую погоду, смесь хорошо сформировалась, а обследования, проведенные спустя четыре года, показали, что опытный участок находится в отличном состоянии: На опытном участке не было замечено никаких значительные деформаций, а поперечные трещины отсутствовали [33].

Повышенная трещиностойкость и сдвигоустойчивость, а также водонепроницаемость и хорошая шероховатость, подтвержденные данными обследований, свидетельствуют о перспективности такого типа покрытий на жестких основаниях (в частности - цементогрунте) и о несомненных преимуществах его перед асфальтобетоном, применяемым наиболее часто в подобный конструкциях в настоящее время.

Холодные битумоминеральные смеси на эмульсиях и пастах зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. Простота изготовления, использование для их приготовления вязки «непережженных» битумов, отсутствие подогрева и меньшая склонность к трещинообразованию служат хорошими предпосылками для их широкого распространения в дорожном строительстве.

Несмотря на то, что некоторые исследователи по-прежнему считают вполне надежным тонкослойным покрытием на цементогрунтовом основании традиционный слой из среднезернистого асфальтобетона толщиной 4 - 6 см [2, 34], в последнее время все чаще появляются рекомендации к использованию материалов, значительно превосходящих асфальтобетон по целому ряду свойств. Например, в Германии в качестве тонкослойного покрытия начали применять песчаный асфальтобетон на специальном вяжущем, которое состоит из битума и введенных в него добавок, повышающих его пластичность и адгезионные свойства. Особенности материала заключаются в хорошей обрабатываемости, что позволяет его укладывать очень тонкими слоями, а также в большой эластичности, деформативности, водонепроницаемости. Покрытие обладает прочным сцеплением с основанием, имеет хорошую шероховатость [35].

Подобные слои толщиной 20 - 40 мм из смесей на модифицированных вяжущих, обеспечивающих слою высокую деформативность, в настоящее время устраивают во многих странах [36, 37, 38]. Слои, как правило, имеют высокие сцепные качества за счет использования дробленого песка и минеральных материалов прерывистой гранулометрии.

Очень перспективно устройство на основаниях из укрепленных грунтов тонкослойных покрытий из смесей битумоминеральных открытых [39] и щебеночно-мастичных [40]. Эти смеси, укладываемые слоями толщиной 2 - 6 см, имеют до 85% щебня и высокое содержание минерального порошка и битума, что создает устойчивый каркас при уплотнении покрытия и низкий уровень пустот в слое. Повышенное содержание прочного кубовидного щебня в смеси позволяет достичь высоких показателей сцепления с колесом автомобиля, шероховатости, сдвигоустойчивости и износостойкости покрытия, а асфальтового вяжущего - водо- и морозостойкости, водонепроницаемости и усталостной стойкости слоя. При устройстве таких покрытий на основаниях из укрепленного грунта хорошая сдвигоустойчивость в плоскости раздела обеспечивается значительными силами трения, возникающими в местах контакта многочисленных щебенок покрытия с основанием. В России имеется положительный опыт устройства указанных конструкций [41].

Значительный интерес для устройства тонкослойных покрытий толщиной 3 - 5 см на основаниях из укрепленных грунтов представляют влажные органоминеральные смеси (ВОМС). Эта смесь состоит из увлажненных минеральных материалов подобранного гранулометрического состава, активатора и жидкого органического вяжущего. Возможность применения местных минеральных материалов, меньший по сравнению с горячим асфальтобетоном расход органического вяжущего и энергии на приготовление смеси позволяют отнести этот материал к категории экономичных, а технологию производства - к ресурсо- и энергосберегающей [42]. Холодная технология приготовления ВОМС и использование жидких органических вяжущих обеспечивают смеси хорошую деформативность и высокую предельную относительную деформацию. Многочисленные обследования участков дорог с покрытиями из ВОМС, уложенными на основание из цементогрунта, свидетельствуют о значительном снижении количества трещин (в том числе отраженных) по сравнению с покрытием из асфальтобетона.

3. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СЦЕПЛЕНИЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ С ОСНОВАНИЯМИ ИЗ УКРЕПЛЕННОГО ГРУНТА

3.1. Определение расчетных величин сцепления

Необходимость обеспечения сцепления тонкослойного покрытия из плотной битумоминеральной смеси или асфальтобетона с основанием из укрепленного грунта подтверждается как теоретическими представлениями, так и многолетними наблюдениями за работой таких конструкций. Надежное склеивание тонкослойного покрытия с основанием способствует предотвращению разрывов и волнообразования на покрытии, уменьшения усадочных напряжений в укрепленном грунте и изгибающие напряжений в слое покрытия, а также улучшению условий работе контактной зоны при воздействии на конструкцию воды и отрицательных температур.

При определении необходимых величин сцепления различных типов тонкослойных покрытий толщиной 3 - 6 см с основанием из укрепленного грунта, обеспечивающих сдвигоустойчивость в зоне контакта при расчетной температуре 50°С, была использована расчетная схема А.А. Иноземцева (рис. 1). Для количественной оценки значения междуслойного сцепления и трения применен метод расчета по предельному равновесию [7]. Расчетные формулы, полученные при использовании указанного метода, подкрепляются многочисленными лабораторными и натурными испытаниями.

Рис. 1. Расчетная схема сдвига покрытия относительно основания:

С и C1 - сцепление соответственно материала покрытия и на контакте поверхности между покрытием и основанием;
f и f1 - коэффициент внутреннего трения соответственно материала покрытия и на контакте поверхности между покрытием и основанием

На рис. 1 сверху показан слой покрытия в момент предельного равновесия. Пунктиром обозначены поверхности нарушения сплошности покрытия, возникшие за счет сдвига его по основанию в случае недостаточной величины контактного трения и сцепления. В нижней части рисунка рассматривается часть покрытия с действующими на нее единичными усилиями.

Нормальные напряжения по поверхности АВ принимаются в первом приближении равными пределу прочности материала покрытия на сжатие Rсж. По данным проф. Н.Н. Иванова, максимальное сдвигающее усилие от внезапно затормозившего автомобиля может достигать 0,75 вертикального удельного давлений [43]. Поэтому угол наклона силы Р был принят равным 49°, чтобы горизонтальная составляющая этой силы была равна 75%. Величину удельного вертикального давления приняли равной 0,6 МПа в соответствии с требованиями ОДН 218.046-01. Коэффициент повторности К, учитывающий многократность приложений тормозных усилий, в соответствии с рекомендациями Н.Н. Иванова принят равным 1,5. Приравнивая к нулю сумму проекций всех сил, действующих на направлениях σα и τα, и решая совместно уравнения, находим C1

Используя данное выражение, находим необходимую величину междуслойного сцепления С1, обеспечивающую устойчивость различных типов покрытий толщиной 6 см на основании из укрепленного грунта при различных углах наклона плоскости скольжения к поверхности покрытия (угол α) и температуре покрытия 50°С (табл. 1).

Таблица 1

Наименование показателя

Покрытие из плотной песчаной смеси

Покрытие из плотной мелкозернистой смеси

Покрытие из черного щебня

Основание из цементо-грунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Основание из цементо-грунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Основание из цементо-грунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Угол α, град.

Угол α, град.

Угол α, град.

30

45

60

30

45

60

30

45

60

30

45

60

30

45

60

30

45

60

Сцепление покрытия с основанием, МПа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при систематическом торможении

0,30

0,20

0,15

0,21

0,11

0,05

0,05

Устойчивость обеспечивается при отсутствии сцепления

при отсутствии систематического торможения

0,18

0,11

0,07

0,12

0,05

0,016

 

То же

Анализируя результаты проведенных расчетов, представленные в табл. 1, легко убедиться в том, что значительное влияние на обеспечение устойчивости покрытия в зоне контакта с основанием оказывает вид применяемой смеси. Использование щебенистых смесей для устройства покрытий требует значительно меньших величин сцепления его с основанием для достижений устойчивости по сравнению с песчаными, а устойчивость покрытия из черного щебня обеспечивается даже при отсутствии его сцепления с основанием.

Путем проведения лабораторных исследований и испытаний в полевых условиях необходимо уточнить найденные минимальные величины сцепления с учетом совместного действия подвижной нагрузки и климатических факторов и найти пути их достижения.

3.2. Анализ факторов, влияющих на сдвигоустойчивость в плоскости раздела тонкослойного покрытия с основанием из укрепленного грунта

3.2.1. Исследование взаимодействия пленок битумных материалов с поверхностью укрепленного грунта

Как уже указывалось выше, одним из основных критериев устойчивости конструкции с тонкослойным покрытием из плотной битумоминеральной смеси или асфальтобетона на основании из укрепленного грунта является сдвигоустойчивость в плоскости раздела, которая зависит от сил трения и сцепления между обоими конструктивными слоями. Силы сцепления, играющие первостепенную роль в обеспечении долговечности конструкции, обусловливаются адгезией и когезией пленки вяжущего, применяемого для подгрунтовки. Когезия зависит от свойств клея, а адгезия - от физических и химических свойств склеиваемых поверхностей и сил взаимодействия этих поверхностей с клеем.

Высокая адгезия пленки подгрунтовки к поверхности укрепленного грунта обеспечивает не только надежное сцепление между основанием и покрытием, но и исключает попадание воды в верхнюю зону укрепленного грунта, предохраняя его от разрушения под действием воды и мороза. При воздействии на конструкцию отрывных усилий могут возникнуть три типа отрыва - адгезионный, когезионный и смешанный. Смешанный тип разрушения характеризует наиболее благоприятное сочетание свойств основания и подгрунтовки.

В настоящей работе рассматривается адгезия клеящих подгрунтовочных материалов к цементогрунту и грунту, укрепленному битумной эмульсией совместно с цементом, так как адгезия вяжущих, приготовленных на битумной основе, к битумоминеральному слою достаточно велика и нет необходимости в ее повышении.

Многообразие причин, обусловливающих адгезию битума к поверхности полиминерального материала, каким является укрепленный грунт, сложность физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии битумного вяжущего с минеральным материалом, создают серьезные трудности к выявлению причин, влияющих на адгезию, и побуждают некоторых исследователей вообще отказаться от попытки прогнозирования клеящих свойств различных вяжущих на основе молекулярных свойств. Ставерман, например, считает, что значительные успехи в области использования клеев могут быть достигнуты не на основе теоретических предсказаний, а эмпирическим путем [44]. В связи с вышеуказанными трудностями в настоящее время нет единой всеобъемлющей теории склеивания. Н.И. Москвитин сводит все теоретические попытки, направленные на познание явлений прилипания и склеивания, к пяти основным теориям: механической, адсорбционной, диффузионной, электрической, электрорелаксационной [45].

Все вышеназванные теории по-разному объясняют явления склеивания и прилипания, но непременным и главным условием высокой адгезии все авторы считают хорошую смачиваемость подложки клеем, характеризующуюся краевым углом смачивания. С увеличением краевого угла смачивания адгезия уменьшается.

Значительное влияние на прочность склеивания оказывает состояние склеиваемых тел. Если поверхность склеиваемых тел шероховата, то фактическая площадь склеивания увеличивается за счет проникания жидкого клея в поры и смачивания внутренних стенок. Но чрезмерное проникание клея также нежелательно из-за нарушения непрерывности клеевой пленки и возможных ее разрывов по вертикали. Одно из основных требований, выдвигаемых Ставерманом, - непрерывность клеевого слоя. Э. Рупп считает, что решающим является граничное склеивание, а не глубинное и показывает в своей работе [46], что увеличение пористости (при величине пор, достаточной для проникания в них клея) поверхности склеиваемых тел повышает прочность склеивания в несколько раз.

И.В. Королев выделяет в слое ориентированного битума на минеральной поверхности три характерные зоны: твердообразную зону, граничащую с поверхностью минерального материала; структурированную зону, состоящую из упорядоченно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных в направлении минеральной подложки; и диффузную зону со слабым упорядочением высокомолекулярной части битума, плавно переходящую в объемный битум [47].

Многими исследователями отмечается тот факт, что тонкий клеевой слой обладает большей прочностью на разрыв и сдвиг по сравнению с тем же клеем в массе, причем с уменьшением толщины пленки прочность соединения растет. Ставерман связывает этот рост прочности с увеличением молекулярных сил между твердым телом и внутренней частью пленки клея и уменьшением количества дефектов в тонких клеевых пленках по сравнению с толстым слоем.

Высокие требования, предъявляемые к вяжущим, применяемым для подгрунтовки (высокая адгезия, термостойкость, необходимость распределения их по поверхности оснований тонкими пленками), делают нежелательным использование вязких и жидких битумов в обычном их состоянии в качестве подгрунтовочных материалов под плотные битумоминеральные смеси. Поэтому вполне естественным и закономерным явился процесс применения в качестве подгрунтовок вяжущих в эмульгированном состоянии (битумных эмульсий и паст), обладающих рядом серьезных преимуществ перед битумами.

Взаимодействие битумных эмульсий с минеральным материалом отличается от процессов, происходящих при взаимодействии с ним битумов, и характеризуется значительно большей сложностью. Процесс образования плотной битумной пленки на поверхности минерального материала идет в несколько этапов.

На первом этапе происходит соприкосновение эмульсии с минеральным материалом, в результате которого возникает адсорбция молекул эмульгатора из дисперсионной среды на минеральных частицах, что приводит к уменьшению концентрации эмульгатора в зоне контакта, нарушению устойчивости эмульсии и началу коагуляции. Эмульсии с повышенным содержанием эмульгатора разрушаются медленнее за счет увеличения дисперсности битума и возможности порового насыщения минерального материала избытком эмульгатора. На этом же этапе имеет место десорбция молекул и ионов дисперсионной среды с поверхности минерального материала [34].

На втором этапе происходит адсорбция молекул эмульгатора, десорбировавших с поверхности капель эмульсии на минеральную поверхность. Приблизительно в это же время между частицами дисперсной фазы и поверхностью минерального материала появляются связи, обусловленные физико-химическим взаимодействием эмульгатора с поверхностными ионами минерального материала. Величина этих связей зависит от типа применяемой эмульсии и зарядности поверхности минеральных частиц. Наилучшим условиям соответствует взаимодействие анионных эмульсий с основными породами (положительный заряд поверхности минерального материала) и катионных эмульсий с кислыми породами. В случае укрепления цементом кислого грунта, поверхность грунтовых мицелл которого заряжена отрицательно, несмотря на то, что при реакциях гидролиза цемента образуется щелочная среда, адгезия битумной пленки, выделившейся в результате распада анионной эмульсии (частицы дисперсной фазы которой также заряжены отрицательно), все же незначительна. Для того, чтобы обеспечить хорошую прилипаемость битума, выделившегося в результате распада анионной эмульсии, к кислым материалам, необходимо активировать их поверхность. Активация достигается чаще всего с помощью извести-пушонки. Мыла, содержащиеся в эмульсии, при нанесении ее на поверхность минерального материала, обработанную известью, вступают в реакцию с Са(ОН)2, образуя нерастворимые в воде феноляты кальция и кальциевые соли, которые вытесняют воду с поверхности грунтовой частицы и прочно адсорбируются на ней [48].

На третьем этапе происходит прилипание частично дестабилизированных капель битума к поверхности минерального материала и их коалесценция с образованием битумной пленки. Длительность этого этапа может быть значительной ввиду того, что к заряженным минеральным частицам прилипают не только дестабилизированные капли эмульсии, но и полностью стабилизированные очень мелкие капли, несущие на своей поверхности заряд большой плотности.

В основе прилипания битума, выделившегося в результате распада битумной эмульсии, лежат молекулярно-поверхностные явления. Работами многих авторов показано, что адгезия битума зависит от большого числа факторов, влияние которых проявляется в процессах физической адсорбции и хемосорбции [49, 50]. При наличии только физической адсорбции сцепление пленки битума с поверхностью минерального материала будет значительно меньше, чем в том случае, когда имеют место процессы химического взаимодействия. Для того, чтобы предотвратить отслоение водой пленки битума от поверхности минерального материала, необходимо, чтобы адсорбционная связь битумной пленки с поверхностью минеральной частицы была выше адсорбционной связи минерального материала с водой.

Непременным условием возникновения хемосорбционных процессов является наличие в битуме ненасыщенных и кислородосодержащих соединений, которые могут вступать в химическое взаимодействие с минеральными материалами. Ввиду того, что битумы, применяемые в дорожном строительстве, часто бывают «малоактивными», довольно большое распространение получил способ увеличения поверхностной активности битумов путем введения в них различных ПАВ [51].

Взаимодействие битумных паст с поверхностью цементо-грунта происходит несколько иначе. Первая стадия - распад и коагуляция битумной пасты - регламентируется свойствами верхней зоны цементогрунта (состоянием поверхности, влажностью), применяемой пасты (концентрацией и размерами частиц дисперсной фазы, типом применяемого эмульгатора) и погодными условиями. Вторая стадия характеризуется переходом битума из дисперсного состояния в пленочное. Этот этап может быть очень длительным из-за наличия на поверхностях контактирующих капель битума прочной оболочки из тонкодисперсного эмульгатора, препятствующей их коалесценции. Решающее влияние на длительность этого этапа оказывает температура. Высокая положительная температура способствует уменьшению когезии дисперсного битума и коалесценции капель с образованием битумной пленки. На третьей стадии - проявления адгезионных свойств пленки битума - основную роль играют свойства битума, его химическая активность и возможность взаимодействия с цементогрунтом.

Взаимодействие дисперсных вяжущих с поверхностью грунта, укрепленного комплексным вяжущим (цементом и битумной эмульсией), характеризуется более благоприятными возможностями для обеспечения надежного сцепления ввиду того, что на поверхности укрепленного грунта наряду с участками, представленными минеральными агрегатами, присутствуют участки, обработанные битумом. На этих участках сцепление обусловливается силами аутогезии.

Процессы физической адсорбции и хемосорбции возможны лишь при наличии контакта пленки битума с поверхностью минеральной частицы, поэтому усиление адгезионных связей в большей степени зависит от скорости разрушения дисперсного вяжущего и образования битумной оболочки.

Рассмотренные выше особенности взаимодействия битумных эмульсий и паст с поверхностью минеральных материалов позволили сделать некоторые предположения относительно факторов, влияющих на скорость их распада. По-видимому, одним из основных таких факторов является толщина пленки воды, образующейся между рыхлой пленкой битума и поверхностью укрепленного грунта. В свою очередь толщина пленки воды зависит от концентрации битумной эмульсии и влажности верхней зоны укрепленного грунта. Вероятно, немаловажное значение для скорости распада имеет структурное состояние укрепленного грунта в момент нанесения битумной эмульсии. В случае нанесения битумной эмульсии определенной концентрации на только что уплотненный укрепленный грунт скорость ее распада будет, в основном, определяться влажностью укрепленного грунта и контракционными процессами, происходящими в укрепленном грунте после уплотнения смеси. Можно предположить, что в этом случае условия формирования пленки битума затруднительны, а ее адгезия к поверхности укрепленного грунта невелика ввиду высокой влажности уплотненной грунтовой смеси и отслаивающего воздействия паров воды, диффундирующих через пленку битума из верхней части укрепленного грунта. Контракционные процессы, происходящие при возникновении новообразований в период схватывания и начального твердения укрепленного грунта, по-видимому, несколько затормозят это нежелательное отслаивающее воздействие паров воды за счет уменьшения объема системы и возникающего при этом вакуум-эффекта, способствующего удалению части воды с поверхности укрепленного грунта и из его верхней зоны.

Однако контракционная усадка, получаемая при твердении укрепленного грунта, по-видимому, будет невелика и несомненно меньше контракционной усадки, получаемой при твердении цементобетона. Это уменьшение вызвано значительно меньшим содержанием цемента в укреплённом грунте, а также большой удельной поверхностью самого грунта и присутствием битума в смеси в случае укрепления грунта двумя вяжущими материалами.

Нанесение битумной эмульсии на поверхность затвердевшего и менее влажного укрепленного грунта создаст более благоприятные возможности к возникновению высокой адгезии образующейся битумной пленки к поверхности укрепленного грунта. Способствовать более быстрому распаду битумной эмульсии и формированию пленки битума будут активные процессы по заполнению водным раствором эмульгатора пор и капилляров верхнего слоя укрепленного грунта толщиной 1 - 2 см, частично потерявшего воду в период твердения. Опыт показывает, что частичная потеря воды верхним слоем укрепленного грунта неизбежна даже в случае применения самых совершенных способов ухода за ним. Известь, выделившаяся в результате гидратации и гидролиза цемента в порах сформировавшегося цементогрунта, также способствует увеличению адгезии пленки битума, образующейся в результате распада битумной эмульсии.

Изучение сцепления применяемых вяжущих с поверхностью укрепленного грунта проводилось путем склеивания и испытания на отрыв образцов, представленных на рис. 2. Для изготовления цементогрунтовых образцов использовали супесчаный и суглинистый грунты. Комплексный метод применяли для укрепления только супесчаного грунта. Состав смеси следующий: супесь - 78%, цемент М500 - 9%, анионная битумная эмульсия - 9% (4,5% битума), вода - 4%. В качестве подгрунтовок использовали анионную и катионную битумные эмульсии, битумную пасту на гашеной извести, вязкий битум БНД 40/60 и жидкий битум СГ 40/70. Указанные вяжущие наносили на поверхность образцов и после формирования пленки подгрунтовки склеивали с помощью рычажного пресса.

Рис. 2. Вид образцов после испытаний

Испытания склеенных образцов на отрыв проводили при температуре 40°С. Эта температура соответствует температуре верхней зоны укрепленного грунта летом в реальных дорожных условиях. При такой температуре исключается разрушение по слою укрепленного грунта при испытании, так как при более низких температурах и влажности укрепленного грунта 2 - 5% адгезионные силы сцепления вяжущего с укрепленным грунтом, а также когезия вяжущего, распределенного тонкой пленкой, превышают прочность верхнего слоя укрепленного грунта на разрыв.

Склеенные образцы выдерживали в течение 3 ч в термостате при температуре 40°С, а затем испытывали на разрывной машине, оборудованной специальными захватами. Напряжения, при которых пленка вяжущего отрывалась от поверхности образца или происходил разрыв по слою вяжущего, определяли по формуле

где Р - максимальное усилие при отрыве, Н;

F - рабочая площадь образца, см2 (площадь образца за исключением площади отдельных мест, где не произошло склеивания).

Перед проведением основных исследований по приведенной выше методике были определены оптимальные дозировки используемых вяжущих при испытании на отрыв, которые находились в интервале 0,15 - 0,30 л/м2 (в пересчете на битум).

Известно, что существующие в настоящее время методы ухода за укрепленными грунтами, а также постоянно меняющиеся погодные условия вынуждают строителей делать подгрунтовку под покрытия из плотных битумоминеральных смесей на укрепленном грунте, который имеет переменную влажность. Определяющая роль пленки подгрунтовки в обеспечении прочности соединения покрытия с укрепленным грунтом вызывает необходимость изучения влияния влажности укрепленного грунта на прочность сцепления с ним тонких пленок вяжущего.

Подготовленные образцы после 13-суточного выдерживания в оптимальных условиях увлажнения перед нанесением вяжущего подсушивались в термостате при 50°С в течение разного времени (от 30 мин до 3 ч), что обеспечивало интервал влажности в верхнем слое укрепленного грунта от 1 до 13%. Для склеивания использовали анионную и катионную эмульсии.

Рис. 3. Влияние влажности верхнего слоя укрепленного грунта на сцепление с ним пленки из битумной эмульсии:

1 - супесчаный цементогрунт, подгрунтовка - эмульсия на ССБ; 2 - суглинистый цементогрунт, подгрунтовка - эмульсия на Redicout; 3 - суглинистый цементогрунт, подгрунтовка - эмульсия на ССБ; 4 - супесчаный грунт, укрепленный цементом и битумной эмульсией, подгрунтовка - эмульсия па ССБ

Результаты испытаний образцов приведены на рис. 3. Как видно из этого рисунка, зависимость прочности сцепления пленки из битумной эмульсии с поверхностью укрепленного грунта от влажности верхнего слоя в исследованном диапазоне влажности близка к прямолинейной. В результате проведенного корреляционного анализа выявлена тесная линейная связь между указанными выше параметрами. Коэффициент корреляции для всех четырех зависимостей находится в интервале 0,95 - 0,99. С уменьшением влажности верхнего слоя укрепленного грунта с 13 до 7% прочность сцепления с ним пленки вяжущего увеличивается за счет повышения адгезии пленки. На основании этого можно сделать заключение о том, что в этом интервале влажности прочность склеивания определяется, главным образом, адгезией пленки, так как при испытании образцов всегда наблюдали ее отрыв от поверхности укрепленного грунта. С дальнейшим уменьшением влажности верхнего слоя укрепленного грунта адгезионные силы сцепления пленки продолжают возрастать и начинают превосходить когезию вяжущего, оказывая все большее влияние на прочность склеивания. При влажности укрепленного грунта 2 - 5% адгезия пленки становится настолько большой, что прочность склеивания определяется, в основном, когезией вяжущего и разрыв образцов происходит по пленке битума.

При нанесении дисперсного вяжущего (эмульсии) на оптимально увлажненный укрепленный грунт, капилляры и поры которого в верхнем слое заполнены водой, дисперсионная среда в виде водного раствора эмульгатора дополнительно увлажняет верхний слой и дисперсная фаза (битум) оказывается изолированной от него пленкой воды. Поэтому пленка битума плохо сцепляется с укрепленным грунтом и не проникает в его поры. При нанесении эмульсии на сухую поверхность укрепленного грунта (поры и капилляры которого лишь частично заполнены водой) адгезия пленки увеличивается за счет свободного заполнения пор и капилляров укрепленного грунта водным раствором эмульгатора, возникновением вакуум-эффекта и непосредственного контакта между вяжущим и поверхностью укрепленного грунта.

Некоторое различие в адгезии пленок из битумной эмульсии на песчаном и суглинистом цементогрунтах объясняется различной минералогией грунтов и характером поровой структуры.

Пленка, выделившаяся в результате распада катионной эмульсии, вытесняет воду с поверхности цементогрунта и в результате физико-химического взаимодействия эмульгатора с поверхностными ионами укрепленного грунта обеспечивает более высокое сцепление пленки в сравнении с пленкой, выделившейся в результате распада анионной эмульсии.

Наибольшее сцепление пленки из битумной эмульсии было получено при нанесении ее на поверхность супесчаного грунта, укрепленного цементом совместно с битумной эмульсией. Хорошее сцепление пленки в этом случае в интервале влажности 4 - 10% обеспечивается аутогезионным взаимодействием между пленкой из битумной эмульсии и сгустками (пленками) битума на поверхности грунта, укрепленного двумя вяжущими.

Вышеприведенные выводы хорошо согласуются с результатами исследований по влиянию концентрации эмульсии, применяемой для подгрунтовки, на сцепление пленки из битумной эмульсии. Исходя из предыдущих исследований, можно сделать предположение, что концентрация эмульсии, используемой для подгрунтовки, должна оказывать влияние на прочность сцепления пленки с поверхностью укрепленного грунта. Количество водного раствора эмульгатора, проникающее в поры и капилляры укрепленного грунта при взаимодействии с ним, является критерием, определяющим скорость распада эмульсии и сцепление битумной пленки. Видимо, немаловажную роль здесь играет влажность укрепленного грунта перед нанесением эмульсий различной концентрации.

Проверку этих предположений осуществляли путем нанесения битумных эмульсий, имеющих различную концентрацию битума, на поверхность супесчаного цементогрунта с дальнейшим склеиванием и испытанием образцов на разрыв по вышеприведенной методике. Концентрация битума в анионной эмульсии менялась от 10 до 50%, но на каждый из склеиваемых образцов наносили одно и то же количество битума (0,2 л/м2). С уменьшением концентрации битума в эмульсии увеличивали дозировку разведенной эмульсии. Образцы с нанесенной эмульсией выдерживали в течение 16 ч при температуре 20°С до полного распада эмульсии, а затем склеивали под статической нагрузкой. Эмульсию наносили на цементогрунт, имеющий различную влажность: в первой серии влажность цементогрунта была в пределах 2 - 4%, во второй - 7 - 9%.

Результаты испытаний образцов представлены на рис. 4. При нанесении битумной эмульсии с меньшей концентрацией битума на поверхность цементогрунта, имеющего влажность 7 - 9%, сцепление пленки из битумной эмульсии значительно снижается за счет еще большего увлажнения верхней зоны цементогрунта, образования стойкой изолирующей прослойки воды между пленкой и цементогрунтом, затрудняющей формирование пленки из битумной эмульсии и возможность ее физико-химического взаимодействия с поверхностью цементогрунта. В случае же нанесения битумных эмульсий с меньшими концентрациями битума на поверхность цементогрунта, имеющего влажность 2 - 4%, получаются обратные зависимости. Увеличение количества водного раствора эмульгатора в эмульсии способствует повышению активности процессов по заполнению пор цементогрунта, возникновению значительного вакуум-эффекта, что создает предпосылки для хорошего контакта между пленкой и поверхностью цементогрунта. Как видно из рис. 4, влияние концентрации битума в битумной эмульсии на сцепление пленки проявляется при содержании битума в эмульсии в количестве менее 40%. В интервале концентрации битума 40 - 50% эффект увеличения или уменьшения сцепления проявляется незначительно.

Рис. 4. Влияние концентрации битума в эмульсии на сцепление пленки из битумной эмульсии с укрепленным грунтом:

1 - влажность верхнего слоя цементогрунта 2 - 4%; 2 - то же, 7 - 9%

Уменьшение влажности укрепленного грунта под плёнкой битума должно повлечь за собой усиление адгезионных связей пленки с поверхностью укрепленного грунта за счет процессов физической адсорбции и хемосорбции. Для подтверждения этого теоретического предположения были проведены дополнительные лабораторные исследования.

Рис. 5. Изменение сцепления пленки из битумной эмульсии и влажности цементогрунта под пленкой во времени:

1 - сцепление пленки с поверхностью супесчаного цементогрунта; 2 - то же, суглинистого цементогрунта; 3 - влажность супесчаного цементогрунта под пленкой; 4 - то же, суглинистого цементогрунта

На супесчаные и суглинистые цементогрунтовые образцы, выдержанные 14 сут в оптимальных условиях увлажнения, наносили анионную битумную эмульсию в количестве 0,4 л/м2. Влажность образцов перед нанесением эмульсии составляла 8% для супесчаного цементогрунта и 11% для суглинистого цементогрунта. После нанесения эмульсии образцы укладывали на хранение в слой оптимально увлажненного песка, оставляя свободными лишь обработанные эмульсией поверхности. Срок хранения образцов с нанесенной пленкой битума составлял 3 ч, 1, 3, 7 и 14 сут. Через указанные интервалы времени образцы извлекали из слоя песка, брали пробу из цементогрунта на влажность из-под пленки, определяя тем самым, изменение влажности под пленкой во времени, а затем склеивали и испытывали на отрыв по вышеизложенной методике.

Результаты испытаний, представленные на рис. 5, свидетельствуют о значительном уменьшении влажности верхней зоны цементогрунта под пленкой битума за 14 сут (с 9 до 2% у супесчаного цементогрунта и с 12 до 6% у суглинистого цементогрунта) и, как следствие этого, увеличении адгезии пленки.

При описанном выше способе хранения образцов во влажном песке интенсивное подсыхание цементогрунта и соответствующее ему увеличение сцепления происходят в первые три - пять дней. Естественно, в реальных условиях подсыхание слоя укрепленного грунта зависит от гораздо большего числа факторов, поэтому полученный срок нельзя рассматривать как величину постоянную.

3.2.2. Влияние сил трения между основанием и покрытием на сдвигоустойчивость в плоскости раздела

При трогании автомобиля с места, движении его по кривым и торможении между покрытием и основанием возникают силы трения, являющиеся следствием проявления веса автомобиля и взаимодействия этих конструктивных слоев при взаимном смещении относительно друг друга. Величина этих сил зависит от многих факторов и в первую очередь от шероховатости соприкасающихся поверхностей и их температуры. В большой степени влияние температуры будет проявляться в изменении когезии тонкой пленки вяжущего, применяемого для подгрунтовки. Именно когезии вяжущего подгрунтовки принадлежит важнейшая роль в проявлении сил трения между покрытием и основанием при воздействии колесной нагрузки. При высокой температуре покрытия и, соответственно, слабой когезии вяжущего подгрунтовки происходит тесное взаимодействие покрытия с основанием и шероховатость соприкасающихся поверхностей проявляется наиболее полно, что приводит к возникновению значительных сил трения в плоскости раздела. Снижение температуры покрытия приведет к увеличению когезии вяжущего подгрунтовки и взаимодействию покрытия с основанием через вязко-упругий слой подгрунтовки. В последнем случае шероховатость взаимодействующих поверхностей не может проявиться в полной мере и это вызовет уменьшение сил трения в плоскости раздела.

Применение в качестве основания под тонкослойные покрытия грунта, укрепленного минеральным и органическим вяжущими, создаст более благоприятные возможности по сравнению с цементогрунтом для увеличения сил трения в плоскости раздела. Способствовать увеличению этих сил должна особенность структуры комплексно укрепленного грунта, заключающаяся в наличии двух типов связей - кристаллизационного и коагуляционного. При смещении тонкослойного покрытия по такому основанию под действием горизонтальных и вертикальных сил на участках поверхности с коагуляционными связями должны возникать дополнительные силы трения из-за частичного внедрения минеральных зерен покрытия в укрепленный грунт.

Значительно увеличить силы трения в плоскости раздела можно за счет изменения текстуры поверхности укрепленного грунта путем проведения поперечных бороздок или втапливания щебня. Но возможность повсеместного применения этого способа должна быть проверена в лабораторных и производственных условиях, поскольку мероприятия по созданию шероховатой поверхности могут привести к ухудшению морозостойкости и прочностных характеристик укрепленного грунта. С этой точки зрения использование комплексно укрепленного грунта предпочтительнее, так как он значительно превосходит по морозостойкости цементогрунт.

Силы трения, возникающие в плоскости раздела, в значительной мере зависят от типа смеси, применяемой при устройстве тонкослойного покрытия или защитного слоя. Вероятнее всего, больших сил трения удастся добиться, используя смеси с таким количеством острореберных щебеночных частиц, которое обеспечит максимальное число контактов на единице поверхности соприкасающихся слоев. Этому условию в наибольшей степени отвечают плотные черные смеси с содержанием щебня более 50%, поверхностные обработки. Однако при применении чернощебеночных смесей в качестве тонкослойных покрытий на укрепленных грунтах возникнет необходимость в обеспечении их водонепроницаемости с целью предотвращения попадания воды через покрытие в дорожную одежду.

Использование водонепроницаемых тонкослойных покрытий из чернощебеночных смесей в сочетании с укрепленными грунтами желательно не только с точки зрения обеспечения сил трения в плоскости раздела, но также и повышения трещиностойкости конструкции. Известно, что подобные покрытия значительно трещиноустойчивее покрытий, приготовленных из плотных смесей. По этой же причине предпочтительнее применение холодных битумоминеральных смесей, обладающих при сравнении с горячими лучшими деформативными характеристиками и большими предельными относительными деформациями.

Для выявления влияния перечисленных выше факторов на сдвигоустойчивость в плоскости раздела и определения конкретных величин сцепления тонкослойного покрытия с поверхностью укрепленного грунта были выполнены лабораторные и полевые исследования.

Лабораторные сдвиговые испытания проводили на стандартном сдвиговом приборе Лурье-Маслова при зазоре между сдвигающими обоймами 1 мм. Испытуемые образцы представляли собой два склеенных цилиндра (укрепленный грунт и покрытие) диаметром 7 см и высотой соответственно 23 и 14 мм. Образцы из укрепленного грунта изготовляли формованием на прессе. До испытаний образцы выдерживали в течение 14 сут в оптимальных условиях увлажнения.

В качестве тонкослойного покрытия использовали черный щебень, теплый песчаный и горячий мелкозернистый асфальтобетоны, а также холодную битумоминеральную смесь на пасте.

Нанесение тонкослойного покрытия на образец из укрепленного грунта проводили в следующей технологической последовательности. На образцы из укрепленного грунта, выдержанные в течение 14 сут в оптимальных условиях увлажнения и имеющие прочность в водонасыщенном состоянии 3,5 - 4,0 МПа и влажность верхней зоны 4 - 6%, наносили подгрунтовку. В качестве подгрунтовки применяли анионную битумную эмульсию, битумо-известковую пасту и жидкий битум СГ 40/70. Для полного распада эмульсии и пасты образцы с нанесенным вяжущим выдерживали при температуре 20°С в течение 3 ч (эмульсия) и 24 ч (паста), после чего помещали в металлическую форму, засыпали сверху черным щебнем или горячей асфальтобетонной смесью при температуре 150°С, а теплой смесью при температуре 90°С и формовали на прессе под нагрузкой 3,0 МПа (максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом из укрепленного грунта). Холодную смесь на пасте подсушивали при температуре 60°С до содержания в ней 10% воды, после чего нагревали до температуры 150°С, засыпали в форму на образец из укрепленного грунта и уплотняли нагрузкой 3,0 МПа.

Испытания склеенных образцов проводили через 24 ч после нанесения покрытия. Загружение сдвигающей системы прибора вели ступенями, равными 5Н с интервалом в 1 мин. Выбранная величина ступени загружения позволяет с высокой точностью (до 0,012 МПа) определять сопротивление сдвигу, что особенно важно в случае определения сцепления при высоких положительных температурах. В то же время пробные испытания показали, что увеличение ступени нагружения и сокращение интервала времени между ступенями несущественно влияют на сопротивление сдвигу.

Деформации при сдвиге замеряли индикатором часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм. В качестве критерия для установления момента сдвига была принята скорость деформации 0,3 мм/мин, определенная опытным путем и характеризующая начало стадии текучести. Сопротивление сдвигу τ вычисляли по формуле

где P - сдвигающая горизонтальная нагрузка, Н;

F - рабочая площадь при сдвиге, см2.

Сначала по вышеприведенной методике были определены оптимальные дозировки битумной эмульсии и пасты, соответствующие максимальным сдвигающим напряжениям. Они оказались равными соответственно 0,15 и 0,30 л/м2.

Для обоснования требований к сдвигоустойчивости в плоскости раздела и изучения влияния различных факторов на коэффициент трения и сцепление были проведены сдвиговые испытания нескольких двухслойных моделей с использованием в нижнем слое цементогрунта и грунта, укрепленного цементом совместно с битумной эмульсией. В качестве подгрунтовки использовали анионную битумную эмульсию. Испытания проводили при температуре 20 и 50°С с вертикальной удельной нагрузкой на образец в интервале 0 - 0,3 МПа.

Результаты, полученные в процессе испытаний, приведены на рис. 6. Прямолинейные зависимости напряжений при сдвиге от величины удельной вертикальной нагрузки характеризуются известным уравнением Кулона τ = ptgφ + C. Сдвигоустойчивость черного щебня и мелкозернистого асфальтобетона превышает в 1,5 раза сдвигоустойчивость песчаного асфальтобетона и холодной смеси на пасте при равных вертикальных нагрузках за счет больших значений сцепления (зацепления) и коэффициента трения. Сцепление (С), обусловливаемое адгезией и когезией пленки подгрунтовки, зависит от состояния склеиваемых поверхностей и температуры испытуемых образцов. При использовании в качестве тонкослойного покрытия черного щебня и мелкозернистого асфальтобетона величина сцепления (зацепления) в 2 раза выше по сравнению с песчаным асфальтобетоном. С увеличением температуры испытаний с 20 до 50°С за счет уменьшения когезии битума величины сцепления также значительно снижаются. Коэффициент трения (tgφ) меняется в зависимости от вида применяемого покрытия (содержания щебня, остроугольности щебенок), состояния поверхности укрепленного грунта и температуры испытуемых образцов. Использование зернистого асфальтобетона при температуре испытания 20°С увеличивает угол φ всего лишь на 3°, при повышении температуры испытания до 50°С эта разница из-за уменьшения вязкости битума и возникновения контактов между зернами асфальтобетона и поверхностью укрепленного грунта увеличивается до 10°.

Рис 6. Влияние температуры и вертикальной нагрузки на сдвигоустойчивость в плоскости раздела:

а - мелкозернистого асфальтобетона; б - черного щебня; в - песчаного асфальтобетона и битумоминеральной смеси на пасте; 1 - основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией при 20°С; 2 - то же, 50°С; 3 - цементогрунтовое основание при температуре 20°С; 4 - то же, 50°С

Наибольший угол φ (60°) был получен при испытании на сдвиг в плоскости раздела покрытия из черного щебня и основания из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией. Увеличение угла φ в этом случае объясняется состоянием поверхности грунта, укрепленного двумя вяжущими материалами. Грунт, укрепленный цементом и битумной эмульсией, представляет собой гетерогенную систему, характеризующуюся наличием обработанных вяжущими грунтовых агрегатов и порами, заполненными битумом, которые при сдвиге черного щебня (особенно при высокой положительной температуре) способствуют увеличению коэффициента трения ввиду взаимного зацепления покрытия с основанием.

Для изучения поведения различных вяжущих, используемых в качестве подгрунтовки, в широком диапазоне температур и выборе наиболее эффективного вяжущего, обеспечивающего максимальную сдвигоустойчивость в плоскости раздела при расчетной температуре 50°С, были проведены дополнительные исследования.

Испытаниям на сдвиг подвергали образцы с тонкослойным покрытием из черного щебня, песчаного и мелкозернистого асфальтобетона, уложенным на супесчаный цементогрунт и грунт, укрепленный цементом совместно с битумной эмульсией. В качестве подгрунтовок использовали битумоизвестковую пасту, битумную эмульсию анионную и жидкий битум СГ 40/70. Вертикальное удельное давление на образцы составляло 0 и 0,1 МПа. Температура образцов при испытании (от -20 до +50°С) охватывает реально существующий диапазон температур верхних слоев дорожной одежды. Перед испытаниями образцы выдерживали в течение 3 ч при соответствующей температуре в термостате или холодильной камере.

Типичный характер изменения сдвигоустойчивости в зависимости от температуры и типа подгрунтовки показан на рис. 7.

Из этого рисунка видно, что сдвигоустойчивость в плоскости раздела мелкозернистого асфальтобетона и цементогрунта при повышении температуры снижается из-за уменьшения когезии вяжущего подгрунтовки. Если при температуре испытания -20°С сдвигоустойчивость покрытия, приклеенного различными подгрунтовками, отличается довольно значительно, то при увеличении температуры эта разница сглаживается и при испытании с удельной вертикальной нагрузкой 0,1 МПа при температуре 50°С сдвигоустойчивость для всех трех применяемых подгрунтовок находится в интервале 0,14 - 0,16 МПа. Сдвигоустойчивость образцов, испытуемых без вертикальной нагрузки, при этой же температуре для трех исследуемых подгрунтовок лежит в более широком диапазоне (0,002 - 0,06 МПа).

Рис. 7. Влияние температуры на устойчивость в плоскости раздела:

1 - подгрунтовки битумоизвестковой пастой при вертикальной нагрузке 0,1 МПа; 2 - то же, без вертикальной нагрузки; 3 - подгрунтовки битумной эмульсией при вертикальной нагрузке 0,1 МПа; 4 - то же, без вертикальной нагрузки; 5 - подгрунтовки жидким битумом при вертикальной нагрузке 0,1 МПа; 6 - то же, без вертикальной нагрузки

При низких температурах (интервал от -20 до 0°С) сдвигоустойчивость обусловливается, в основном, силами сцепления вяжущего подгрунтовки с покрытием и основанием. Силы трения в этом случае очень незначительны из-за изолирующей прослойки пленки подгрунтовки, обладающей высокой когезией при отрицательной температуре и препятствующей возникновению контактов между покрытием и основанием. В этом интервале температур характер изменения сдвигоустойчивости для всех типов подгрунтовок при испытании с вертикальной нагрузкой и без нее совершенно одинаков. При положительной температуре сдвигоустойчивость обеспечивается уже силами сцепления и трения, причем с увеличением температуры доля сил трения в обеспечении сдвигоустойчивости в плоскости раздела возрастает. В интервале температур от 0 до 20°С сцепление резко падает из-за уменьшения когезии вяжущего подгрунтовки, приводящего в то же время к более тесному контакту основания с покрытием и увеличению сил трения. Поэтому снижение сдвигоустойчивости при вертикальной нагрузке в этом интервале происходит менее интенсивно. С дальнейшим увеличением температуры продолжает резко падать сцепление основания с покрытием и повышаться трение в плоскости раздела за счет еще большего размягчения вяжущего подгрунтовки, увеличения числа контактов между основанием и покрытием и обнажения щебенок в размягченном битумоминеральном покрытии.

Значения угла трения, характеризующего силы трения при температуре испытания 50°С, настолько превосходят те же значения при температуре 20°С, что сдвигоустойчивость в плоскости раздела для мелкозернистого асфальтобетона при температуре 50°С начинает превосходить сдвигоустойчивость того же асфальтобетона при температуре 20°С уже при вертикальной нагрузке 0,3 МПа.

Из рис. 7 видно, что битумоизвестковая паста, используемая в качестве подгрунтовки, обеспечивает лучшую сдвигоустойчивость по сравнению с другими вяжущими при испытании в исследованном диапазоне температур. При испытании образцов с вертикальным пригрузом при отрицательной температуре сдвигоустойчивость, обеспечиваемая пастой, значительно превосходит сдвигоустойчивость, достигаемую с использованием битумной эмульсии и жидкого битума. При положительной температуре эта разница уменьшается и при достижении 50°С почти совсем исчезает. При испытании образцов без вертикального пригруза значительное преимущество пасты в обеспечении сцепления заметно при любой температуре. Более высокие показатели сцепления, получаемые при использовании битумоизвестковой пасты, обусловливаются ее высокой когезией и теплоустойчивостью за счет имеющегося в ней тонкодисперсного эмульгатора.

Сдвигоустойчивость, обеспечиваемая жидким битумом, при испытании с вертикальным пригрузом зависит, в основном, от сил трения и во всем диапазоне температур меняется незначительно. Сцепление, получаемое с использованием этого вяжущего, при увеличении температуры падает чрезвычайно интенсивно, а при температуре 50°С почти равняется нулю.

Характер изменения сдвигоустойчивости при нанесении трех вышеназванных подгрунтовок на основание из грунта, укрепленного цементом совместно с битумной эмульсией, не меняется. Однако абсолютные значения сдвигоустойчивости в плоскости раздела в этом случае в 1,5 - 2,5 раза выше.

Проведенные лабораторные исследования позволили получить предельные величины сцепления нескольких типов тонкослойных покрытий с укрепленными грунтами, обеспечиваемые различными подгрунтовками в широком диапазоне положительных температур. Эти величины приведены в табл. 2.

Для определения сдвигоустойчивости в плоскости раздела тонкослойных покрытий и оснований из укрепленного грунта в реальных условиях, сравнения этих результатов с данными лабораторных испытаний и выявления факторов, влияющих на сдвигоустойчивость, была спроектирована и изготовлена специальная сдвиговая установка (рис. 8).

Установка представляет собой пространственную сварную раму из труб с четырьмя опорными стойками, рычажным нажимным устройством и скользящей кареткой с закрепленным на ней гидравлическим домкратом. Каретка, передвигаемая по направляющим с помощью домкрата, соединена тросом с динамометром и верхним плечом рычага. Нижнее плечо рычага имеет на своем конце опорную площадку, соприкасающуюся с испытуемым образцом. С помощью специальной передвижной муфты соотношение плеч рычага можно регулировать от 1:5 до 1:10.

Таблица 2

Наименование показателя

Покрытие из плотной песчаной смеси

Покрытие из плотной мелкозернистой смеси

Покрытие из черного щебня

Основание из цементогрунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Основание из цементогрунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Основание из цементогрунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией

Сцепление, МПа, при температуре 20°С и подгрунтовке:

 

 

 

 

 

 

пастой

0,10

0,14

0,18

0,40

0,17

0,39

эмульсией

0,08

0,12

0,14

0,36

0,12

0,32

жидким битумом

0,035

0,08

0,06

0,24

0,05

0,23

То же, при температуре 30°С и подгрунтовке:

 

 

 

 

 

 

пастой

0,08

0,10

0,14

0,27

0,13

0,29

эмульсией

0,06

0,09

0,10

0,24

0,10

0,23

жидким битумом

0,02

0,06

0,04

0,16

0,03

0,17

То же, при температуре 50°С и подгрунтовке:

 

 

 

 

 

 

пастой

0,03

0,05

0,06

0,09

0,07

0,11

эмульсией

0,02

0,04

0,04

0,07

0,05

0,08

жидким битумом

0,00

0,01

0,003

0,02

0,01

0,03

Рис. 8. Установка для определения сцепления покрытия с основанием

Перед работой установка крепится неподвижно к автомобилю. Испытуемый на сдвиг образец покрытия представляет собой квадрат со стороной 15 см, выжженный паяльной лампой по периметру асбестовой накладки на всю толщину покрытия (рис. 9). Подготовленный к испытаниям образец выдерживали в течение 1 ч для остывания разогретых кромок, затем накладывали сверху на образец металлическую квадратную обойму и устанавливали опорную площадку рычага установки вплотную к одной из сторон обоймы. Для определения скорости деформации и фиксации момента сдвига с противоположной стороны обоймы крепили индикатор часового типа. Нагружение вели ступенями по 50 Н через 1 мин, что соответствует росту напряжений в плоскости раздела 0,013 МПа при соотношении плеч рычага 1:6. Момент сдвига прослеживался очень отчетливо и фиксировался при лавинообразном нарастании скорости смещения образца. Все испытания проводили без вертикальной нагрузки на образец.

Рис 9. Образцы, подготовленные к испытаниям на дороге

Испытания с помощью полевой сдвиговой установки были проведены на многих дорогах Московской, Рязанской и Брянской областей. Полученные результаты свидетельствуют о том, что сцепление тонкослойного асфальтобетонного покрытия с цементогрунтовым основанием на обследуемых дорогах меняется в широких пределах от 0 до 0,072 МПа. На некоторых дорогах сцепление тонкослойного покрытия с основанием отсутствовало полностью. Это происходило по целому ряду причин, и прежде всего, из-за плохой очистки основания от пыли и грязи, недостаточной прочности верхнего слоя цементогрунта, а также отсутствия подгрунтовки. Основной причиной отсутствия сцепления на дороге Рязанцы - Зубцово является плохая очистка основания - при вскрытии дорожной одежды в контактной зоне между асфальтобетоном и цементогрунтом обнаруживали песчаные прослойки толщиной в несколько миллиметров. На дороге Рязань - Пронск из-за неравномерного распределения цемента верхний слой цементогрунта оказался настолько непрочным и неплотным, что жидкий битум подгрунтовки пропитал верхний слой цементогрунта на глубину до 4 см. В результате на обследуемых участках этих дорог были отмечены волнообразования и значительные раскрытия поперечных трещин (до 3 - 5 см). На дорогах Луховицы - Ловцы и Выгоничи - Трубчевск величины сцепления находились в интервале 0,032 - 0,072 МПа. Причем на всех обследуемых участках при вскрытии дорожной одежды обнаруживали чистую, ровную, плотную цементогрунтовую поверхность.

В нескольких испытаниях из-за очень высокой температуры асфальтобетонного покрытия (около 40°С) и недостаточной его сдвигоустойчивости сдвиг произошел по слою асфальтобетона. На дороге Луховицы - Ловцы подгрунтовку осуществляли вязким битумом БНД 90/130. Из-за большой вязкости битум не растекался по поверхности основания, поэтому склеивание происходило лишь на 30 - 40% площади. При равномерном распределении битума можно было ожидать увеличения сцепления в несколько раз. Результаты испытаний свидетельствуют об уменьшении сцепления с 0,065 до 0,035 МПа при увеличении температуры покрытия с 20 до 40°С.

3.3. Разработка требований к сцеплению

При сопоставлении данных табл. 1 и 2 видно, что обеспечить устойчивость тонкослойных покрытий из песчаных смесей на сформировавшемся и гладком цементогрунтовом основании невозможно даже при использовании в качестве подгрунтовки битумных паст и эмульсий. Устойчивость покрытий на основании из грунта, укрепленного цементом и органическим вяжущим, обеспечивается этими подгрунтовками только при определенных значениях угла наклона плоскости скольжения к поверхности покрытия.

Наблюдения за состоянием дорожных одежд из тонкослойного покрытия и жесткого основания, уложенных на горизонтальных кривых, показали, что чаще всего величина угла наклона плоскости скольжения находится в интервале 45 - 90°. Учитывая это, представляется нецелесообразным устраивать тонкослойные покрытия из песчаных смесей даже на сформировавшихся основаниях из грунтов, укрепленных двумя вяжущими материалами, на участках дорог, где возможны многократные тормозные нагрузки, а при отсутствии систематического торможения устойчивость можно обеспечить, используя в качестве подгрунтовок битумные пасты и эмульсии.

Поскольку покрытия из песчаных смесей применяют в дорожном строительстве довольно широко, были проведены лабораторные и опытно-экспериментальные работы для выявления возможности обеспечения их сдвигоустойчивости в плоскости раздела с основанием при укладке на несформировавшийся цементогрунт (сразу же после его уплотнения).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при укладке асфальтобетонной смеси на такое основание сцепление (взаимозацепление) двух слоев повышается в 6 - 10 раз и достигается расчетная его величина. Увеличение сцепления является следствием взаимопроникания двух материалов. При этом частично вовлекается в работу на сдвиг цементогрунт, имеющий очень высокую сдвигоустойчивость. Такая технология строительства позволяет не только обеспечить расчетную величину сцепления покрытия с основанием, но и исключает необходимость ухода за цементогрунтом и устраняет технологический разрыв между устройством двух конструктивных слоев.

Результаты теоретических расчетов, лабораторных исследований и испытаний на дороге позволили разработать требования к сцеплению тонкослойных покрытий из песчаных смесей с основаниями из укрепленных грунтов (табл. 3) и установить условия, при которых эти силы достаточны для обеспечения сдвигоустойчивости в плоскости раздела для различных режимов движения автомобилей (табл. 4). Требования разработаны для контроля сцепления покрытия с основанием на дороге и в лаборатории.

Устойчивость тонкослойных покрытий из мелкозернистых смесей на цементогрунтовых основаниях в условиях систематического торможения транспортных средств обеспечивается применением в качестве подгрунтовок битумных паст и эмульсий.

Таблица 3

Наименование показателя

Величина показателя в зависимости от типа основания

цементогрунт

грунт, укрепленный цементом и органическим вяжущим

Температура покрытия, °С

10

20

30

40

50

10

20

30

40

50

Сцепление покрытия с основанием, МПа, не менее:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при систематическом торможении

0,50

0,47

0,42

0,31

0,20

0,37

0,28

0,20

0,15

0,11

при отсутствии систематического торможения

0,42

0,38

0,32

0,23

0,11

0,17

0,13

0,10

0,07

0,05

Таблица 4

Наименование показателя

Покрытие из плотной песчаной смеси

Покрытие из плотной мелкозернистой смеси

Основание из цементогрунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и органическим вяжущим

Основание из цементогрунта

Основание из грунта, укрепленного цементом и органическим вяжущим

сформиро-
вавшееся

несформиро-
вавшееся

сформиро-
вавшееся

несформиро-
вавшееся

сформировавшееся

Подгрунтовка

П

Э

Б

П

Э

Б

П

Э

Б

П

Э

Б

П

Э

Б

П

Э

Б

Сцепление покрытия с основанием:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при систематическом торможении

-

-

-

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

-

+

+

+

при отсутствии систематического торможения

-

-

-

+

+

+

+

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Примечание. + - сцепление обеспечивает сдвигоустойчивость в плоскости раздела покрытия и основания; - сцепление не обеспечивает сдвигоустойчивость в плоскости раздела покрытия и основания; П - битумная паста; Э - битумная эмульсия; Б - жидкий битум (гудрон)

Устойчивость этих же покрытий на цементогрунте при отсутствии систематического торможения, а также на основании из грунтов, укрепленных двумя вяжущими материалами, достигается даже при отсутствии сцепления покрытия с основанием. Сдвигоустойчивость в этом случае, точно также, как и в случае использования покрытия из черного щебня, обеспечивается значительными силами трения, возникающими в плоскости раздела при смещении покрытия относительно основания.

Из приведенного анализа видно, что в ряде случаев сдвигоустойчивость тонкослойных покрытий из песчаных и мелкозернистых смесей в плоскости раздела с основанием из укрепленного грунта достигается только при использовании в качестве подгрунтовок битумных паст и эмульсий. Поэтому для достижения требуемого сцепления покрытия с основанием необходимо строго придерживаться рекомендаций по условиям нанесения битумных паст и эмульсий на поверхность укрепленного грунта.

Немаловажное значение в этом случае приобретает также способ ухода за укрепленным грунтом. Известно, что на практике пленка, нанесенная на него для ухода, чаще всего не удаляется с его поверхности и впоследствии, находясь в зоне контакта, играет важную роль в обеспечении прочности соединения покрытия с укрепленным грунтом и коррозионной стойкости конструкции. Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод о том, что способ ухода за слоем укрепленного грунта необходимо назначать в зависимости от типа покрытия или защитного слоя, предусмотренного проектом.

При использовании слоя такого грунта в качестве основания под тонкослойное покрытие из песчаных смесей уход желательно осуществлять слоем песка толщиной не менее 5 см с периодическим его увлажнением или паронепроницаемыми пленками. Уход за ним путем розлива пленкообразующих веществ в виде жидкого битума или битумной эмульсии в этом случае имеет ограниченное применение из-за недостаточного сцепления покрытия с основанием.

Жидкий битум обладает очень низкой когезией и при температуре покрытия более 50°С не обеспечивает необходимой его устойчивости при воздействии горизонтальных сдвигающих усилий. Адгезия пленки битума, выделившейся в результате распада битумной эмульсии, нанесенной для ухода за укрепленным грунтом с высокой влажностью, также чрезвычайно мала. Причем увеличения адгезии пленки, имеющего место при нанесении битумной эмульсии на сформировавшийся укрепленный грунт с невысокой влажностью, не происходит из-за отсутствия тесного контакта пленки битума с его поверхностью. Отсутствие такого контакта, являющееся следствием отслаивающего воздействия паров воды, испаряющейся из укрепленного грунта, и наличия в контактной зоне пыли и грунтовых агрегатов, не имеющих связи с укрепленным грунтом, сильно затрудняет протекание процессов физической адсорбции и хемосорбции между пленкой битума из эмульсии и укрепленным грунтом. Неизбежная запыленность пленки ухода также препятствует хорошему сцеплению с нею пленки подгрунтовки.

В связи с вышеизложенным при устройстве тонкослойного покрытия из песчаных смесей на основании из укрепленного грунта уход за свежеуложенным слоем укрепленного грунта жидким битумом или битумной эмульсией не рекомендуется. Если по каким-либо причинам эти вяжущие были использованы для ухода, то перед нанесением подгрунтовки (в виде битумной пасты или эмульсии) пленку ухода необходимо удалять с поверхности укрепленного грунта.

Как уже указывалось выше, при устройстве покрытия из черного щебня (в ряде случаев и покрытий из мелкозернистых смесей) на основании из укрепленного грунта сдвигоустойчивость в плоскости раздела обеспечивается даже при отсутствии сцепления покрытия с основанием. Тем не менее, и в этом случае необходимо наносить подгрунтовку перед устройством покрытия с целью создания гидроизолирующей прослойки, прочно связанной с основанием и препятствующей прониканию воды в верхнюю зону укрепленного грунта. При использовании в качестве покрытия черного щебня устройство такой прослойки желательно совместить с операцией по уходу за укрепленным грунтом, используя в качестве пленкообразующего вещества жидкий битум.

4. ОСОБЕННОСТИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Проблема трещиностойкости конструкции с покрытием из плотной битумоминеральной смеси, уложенным на жесткое (полужесткое) основание, сложна и актуальна. В многочисленных работах, посвященных этой проблеме, предпринимаются попытки количественной оценки трещиностойкости покрытий и предлагаются мероприятия по ее снижению.

Образование трещин в покрытии из битумоминеральной смеси является следствием влияния основания из укрепленного грунта, температурно-усадочных напряжений, возникающих в самом слое покрытия в осенне-зимний период, а также зимнего вспучивания нижних слоев оснований. При хорошем сцеплении тонкослойного покрытия с основанием из укрепленного грунта в контактной зоне при изменении температуры, помимо указанных напряжений, действуют напряжения, вызванные разными коэффициентами линейного расширения взаимодействующих слоев и наличием температурно-усадочных трещин в укрепленном грунте. Сечение, проходящее в нем через трещину, является наиболее опасным ввиду возникновения дополнительных растягивающих напряжений в зоне трещины [23]. На дороге, как правило, сначала появляются поперечные температурно-усадочные трещины в укрепленном грунте, а затем они проявляются и на покрытии. Трещины в покрытии, копирующие швы или трещины в основании, принято называть отраженными.

В слое битумоминерального покрытия над трещиной (или швом) основания под действием подвижной нагрузки и температуры окружающего воздуха возникают четыре типа напряжений:

• изгибающие напряжения от нагрузки;

• вертикальные и касательные напряжения от транспортных средств;

• растягивающие напряжения от температуры;

• дополнительные растягивающие напряжения в зоне трещины (шва) основания из укрепленного грунта.

Многочисленные попытки теоретического объяснения механизма растрескивания покрытий, уложенных на жесткие и полужесткие основания, носят феноменологический характер и всегда условны, поскольку основаны на многих допущениях. Всякие попытки учета влияния изменений температуры, свойств материалов, взаимодействия слоев, релаксации напряжений существенно усложняют математическую модель и не в состоянии учесть все факторы. Поэтому при решении проблемы повышения трещиностойкости конструкций с покрытиями из битумоминеральных смесей, уложенных на жесткие и полужесткие основания, в большей степени используют результаты лабораторных и полевых исследований.

Большое число практических рекомендаций, встречающихся в научно-технической литературе и направленных на повышение трещиностойкости конструкции, можно разделить на семь основных направлений:

• увеличение толщины битумоминеральных покрытий;

• устройство трещинопрерывающих прослоек между слоями основания и покрытия;

• фрагментирование основания путем устройства швов, разрушения основания на отдельные блоки и т.п.;

• армирование битумоминеральных покрытий и жестких оснований;

• исключение сцепления между основанием и покрытием;

• увеличение деформативности жестких оснований за счет уменьшения дозировок цемента, введения в состав цементобетона или укрепленного грунта органических вяжущих;

• повышение деформативности и снижение трещиностойкости покрытий.

Из вышеперечисленных направлений наиболее неоправданным и дискуссионным является требование увеличения толщины слоев покрытий из битумоминеральных материалов до 12 - 18 см для ликвидации или ограничения количества отраженных трещин. Подобные рекомендации приведены в нормативно-технической литературе некоторых стран, в том числе в ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд», изданных в России в 2001 г. Особенно нелогично это требование применительно к дорогам III - IV категорий, когда большая толщина покрытия диктуется необходимостью исключения отраженных трещин, а не обеспечения допускаемого упругого прогиба конструкции. Подобное требование значительно увеличивает стоимость весьма распространенных местных дорог с основанием из укрепленного грунта и однослойным покрытием из битумоминеральной смеси.

Неправомерность указанных жестких ограничений подтверждается многолетними наблюдениями за состоянием дорог с основаниями из цементобетона (цементогрунта) и покрытиями из битумоминеральных смесей во многих странах мира. Обследованиями установлено, что увеличение толщины асфальтобетонного покрытия до 17 - 23 см не является гарантией предотвращения образования на нем отраженных трещин [21, 52]. Поэтому для уменьшения количества отраженных трещин и повышения долговечности конструкции целесообразно применение других вышеприведенных направлений.

Представляется, что наиболее эффективными из них являются фрагментирование жесткого (полужесткого) основания и устройство трещинопрерывающих прослоек между слоями основания и покрытия. Из анализа специальной научно-технической литературы видно, что у большинства исследователей и строителей не вызывает тревоги отраженное растрескивание черных покрытий при условии их хорошего сцепления с основанием и нарезки швов сжатия в жестком слое основания с последующей заливкой их мастикой. Автором данной обзорной информации за последние 20 лет обследованы сотни километров дорог с основаниями из цементогрунта (цементобетона) и покрытиями толщиной 3 - 10 см из асфальтобетона и холодных органоминеральных смесей, в результате чего было выявлено, что в подавляющем большинстве случаев в первую же зиму над швами основания, нарезанными через 3 - 7 м, в покрытии образуются отраженные прямолинейный трещины. Срок службы конструкций до возникновения существенных дефектов в зоне шва, влияющих на скоростной режим движения автомобилей, составляет 3 - 5 лет. Заливка битумной мастикой отраженных трещин в покрытии после первой зимы увеличивает срок службы в 1,5 - 2 раза. Еще больше повысить срок службы покрытий можно путем нарезки глубоких поперечных швов сжатия на обоих конструктивных слоях через 1 - 2 сут после завершения строительных работ с немедленным заполнением шва мастикой. В этом случае покрытие разрезают на всю толщину, а основание - на 0,25 - 0,3 высоты слоя.

В последние годы заметна тенденция к фрагментированию монолитных цементобетонных (цементогрунтовых) оснований на блоки и плиты малых размеров (0,4 - 1,2 м), приводящая к уменьшению общей жесткости дорожной одежды и появлению опасных температурных растягивающих напряжений, что предполагает значительное повышение трещиностойкости конструкции [53, 54].

Устройство гибких прослоек между монолитными слоями дорожной одежды является одной из самых эффективных возможностей замедления или предотвращения образования усталостных или отраженных трещин в верхнем слое покрытия. Увеличение трещиностойкости такой конструкции объясняется релаксацией больших растягивающих напряжений, возникающих в зоне трещины, в прослойке, выполняемой из материалов, обладающих очень низким модулем деформации и большой способностью к растяжению.

Во многих странах мира, в том числе в России, уже накоплен значительный опыт использования гибких прослоек в различных конструкциях дорожных одежд. Хорошие результаты в этом направлении получены в США, где исследования трещиностойкости покрытий, уложенных на жесткие основания, проводятся более 70 лет. Значительное внимание в этих работах уделяется применению полимерно-битумных композиций в сочетании с различными наполнителями в качестве пластичной прослойки между жестким основанием и покрытием. Полимерно-битумное вяжущее получают растворением полимера в битуме или смешением битума с измельченным полимером, в качестве которого используют каучук, регенерированную резину, резиновую крошку. Результаты лабораторных исследований и опытных работ свидетельствуют о том, что гибкая прослойка толщиной 4 - 7 мм может компенсировать деформацию нижнего слоя толщиной 5 мм без нарушения сплошности покрытия, что позволяет почти полностью исключить появление отраженных трещин.

В последние 10 - 15 лет в ряде стран предпринимаются попытки предотвращения образования отраженных трещин в покрытии путем укладки над швом (трещиной) основания полос геотекстиля, стекловолокна, различных армирующих сеток. Для обеспечения хорошего сцепления армирующего материала с поверхностью основания и улучшения его деформативных характеристик полосы пропитывают модифицированным битумом и укладывают на поверхность, обработанную битумной эмульсией или горячим битумом. Иногда для увеличения прочности на разрыв пленки подгрунтовки в нее с помощью специального устройства закладывают нити или полоски из полиэфира, полиамида, полистирола.

В практике дорожного строительства, а также научно-технической литературе довольно часто встречаются рекомендации по использованию битумогрунтов, холодных органоминеральных смесей и асфальтобетонов, укладываемых слоями толщиной 15 - 30 мм между слоями жесткого основания и покрытия. Смеси, используемые для подобных прослоек, готовят, как правило, на жидких органических вяжущих, обеспечивающих материалу прослойки низкий модуль деформации и хорошую деформативность, что замедляет появление на покрытии отраженных трещин. Со временем по мере старения вяжущего и снижения деформативности материала эффективность подобных прослоек уменьшается.

Применение гибких прослоек из материалов, обладающих хорошими деформативными характеристиками, является эффективной мерой, призванной сократить число отраженных трещин. Тем не менее, при высоких положительных температурах в такой конструкции не исключены горизонтальные подвижки покрытия относительно основания при воздействии динамической нагрузки из-за высокой пластичности прослойки, имеющей к тому же большую толщину. Проблема усложняется необходимостью нахождения компромиссного решения, удовлетворяющего требованию выбора для прослойки достаточно эластичного материала, допускающего в то же время возможность уплотнения на нем слоя покрытия из горячей смеси.

Учитывая это обстоятельство, автором данного обзора совместно с Г.С. Бахрахом предложен способ устройства конструкции, обеспечивающей устойчивость покрытия [55] за счет наличия зерен щебня, размещенных в эластичной прослойке и опертых на слой основания. Верхней своей частью щебенки внедрены в слой покрытия. При воздействии на покрытие горизонтальных сил его сдвигоустойчивость обеспечивается силами трения, возникающими в местах контакта зерен щебня с основанием.

Для предотвращения продольного сдвига покрытия по жесткому основанию, а также увеличения трещиностойкости конструкции некоторые исследователи предлагают устраивать промежуточные слои из белого или черного щебня толщиной 10 - 15 см. Очевидно, что эта мера действительно эффективна, но она не всегда может быть осуществлена по технико-экономическим и технологическим соображениям.

В результате обследований дорог с жесткими основаниями и битумоминеральными покрытиями было замечено, что снижение прочности основания за счет уменьшения дозировок минерального вяжущего приводит к сокращению числа отраженных трещин. Это характерно для конструкций с основанием из цементобетона и несвязных грунтов, укрепленных минеральными вяжущими. На связные укрепленные грунты этот эффект не распространяется.

В значительно большей степени увеличить трещиностойкость жесткого основания можно путем введения в смесь органических вяжущих. Это направление успешно развивается в настоящее время, в основном, при укреплении грунтов цементом. В качестве органического вяжущего в этой технологии используют битумные эмульсии, жидкие и разжиженные битумы, нефть, гудроны, вспененный битум. Добавление в смесь органического вяжущего позволяет увеличить коэффициент линейного расширения укрепленного грунта в 1,5 раза, а предельное удлинение - в 2 - 3 раза при сравнении с цементогрунтом.

Грунт, укрепленный цементом совместно с органическим вяжущим, обладает принципиально новой бинарной структурой и, имея такую же прочность, как и цементогрунт, за счет изменения капиллярно-поровой структуры превосходит его по морозостойкости в несколько раз. Увеличение предельного относительного удлинения этого материала в сравнении с цементогрунтом, повышенная деформативность и замедление во времени усадки создают хорошие предпосылки для релаксации возникающих растягивающих напряжений и значительного повышения его трещиностойкости и долговечности. Натурные наблюдения за состоянием подобных конструкций подтверждают это предположение. Как правило, расстояние между температурными трещинами в слое основания из грунта, укрепленного двумя вяжущими, в 1,5 - 2 раза больше при сравнении с основанием из цементогрунта.

Существенно снизить количество отраженных трещин можно за счет использования при строительстве покрытий материалов, обладающих хорошей деформативностью при отрицательной температуре и способностью самозалечивать трещины в теплое время года. В большей степени этим требованиям отвечают комбинированные покрытия, а также покрытия, устраиваемые из материалов, приготовленных на жидких, модифицированных вяжущих преимущественно по холодным технологиям.

Примером монолитного трещиностойкого слоя может служить разработанное в ГП «Росдорнии» комбинированное покрытие [56] нежесткого типа из щебня, обработанного органическим вяжущим, укладываемое в горячем или теплом состоянии с последующей пропиткой литой эмульсионно-минеральной смесью на основе битумных паст, которое обладает определенными достоинствами по сравнению с чернощебеночными покрытиями и в то же время водонепроницаемо.

Комбинированное покрытие отличается от покрытий, устроенных горячим или теплым способом, не только технологией, но и структурой сформировавшегося материала. В черных покрытиях практически весь битум находится в тонких ориентированных пленках, образуя непрерывную фазу. В комбинированном покрытии битумная фаза находится в двух состояниях: в виде толстых пленок, через которые зерна щебня контактируют между собой, и в виде мелких (около 10 - 70 мкм) капелек, равномерно распределенных среди минеральных частиц в обезвоженной эмульсионно-минеральной смеси. Свойства указанной системы меняются по мере коалесценции капель битума и ориентации его молекул на поверхности минеральных частиц. В комбинированном покрытии большая часть пленочного битума испытывает слабое ориентирующее влияние подложки, что увеличивает гибкость связей в местах контактов, а благодаря дискретности битума в промежутках между зернами щебня напряженное состояние материала под действием нагрузок или температурных перепадов будет значительно меньшим. Отмеченные структурные особенности комбинированного покрытия предопределяют его более высокую трещиностойкость и способность к самозалечиванию температурных и отраженных трещин, что подтверждается результатами обследований.

К органоминеральным смесям, в наименьшей степени склонным к трещинообразованию, могут быть отнесены смеси, особенностью которых является наличие в них на технологической стадии специально вводимой воды, выполняющей важные функции. Это обусловливает своеобразие физико-химического взаимодействия компонентов смеси и структурообразования материала в конструкции. Подобные смеси обладают основными преимуществами холодных органоминеральных смесей. Кроме того, в отличие от последних, при их приготовлении можно использовать влажные минеральные материалы, что существенно упрощает технологический процесс получения смесей за счет исключения в установке узла подогрева и просушки. Готовые покрытия из таких смесей характеризуются более высокими физико-механическими показателями при меньших сроках его формирования.

Важно отметить, что в горячих смесях на стадии их приготовления вяжущее уже стареет на 50 - 75%, что соответствует 10-летнему сроку эксплуатации покрытия. Свойства вяжущего во влажных смесях, в отличие от горячих, на технологической стадии не ухудшаются, так как оно контактирует не с горячими, а с холодными минеральными материалами, причем в присутствии воды, и не находится длительное время в нагретом состоянии. Вместе с тем отдельные разновидности материалов из этих смесей по своим физико-механическим свойствам могут приближаться к материалам из горячих смесей.

Влажные органоминеральные смеси можно разделить на две группы смесей: эмульсионно-минеральные и пленочно-минеральные. Такое разделение диктуется принципиальными различиями как в способе их приготовления, так и в структуре на различных стадиях формирования. Характерной особенностью эмульсионно-минеральных смесей является то, что органическое вяжущее на всех технологических стадиях и в течение определенного времени эксплуатации конструктивного слоя находится в дисперсном состоянии. Поэтому технология их приготовления базируется на применении вяжущего в виде эмульсии или его эмульгирования в процессе приготовления смеси. В отличие от эмульсионно-минеральных смесей, вяжущее в пленочно-минеральных смесях переводится в процессе приготовления смеси в пленочное состояние.

В России в настоящее время большое распространение получили пленочно-минеральные смеси в виде грунтов, укрепленных жидкими органическими вяжущими, и влажных смесей, в состав которых помимо щебня, песка и минерального порошка входят вода, жидкое органическое вяжущее и, как правило, ПАВ. Наличие в смеси воды обеспечивает ее подвижность во время технологических операций и хорошую уплотняемость. Поскольку уплотненная смесь обладает повышенной деформативностью, она может работать в дорожной конструкции в стадии необратимых деформаций без образования трещин. С этой точки зрения она представляет интерес, с одной стороны, для устройства промежуточных слоев, тормозящих распространение усталостных трещин, а с другой стороны, для устройства покрытий на дорогах местного значения, где допустимы остаточные деформации.

5. СТРОИТЕЛЬСТВО ОПЫТНЫХ УЧАСТКОВ И ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДОРОГ

5.1. Технология производства работ

Дорожные одежды с основанием из грунта, укрепленного цементом (или цементом совместно с органическими добавками), можно устраивать на дорогах III - IV категорий. При технико-экономическом обосновании допустимо применение конструкции на дорогах V категории.

В качестве основания под тонкослойные покрытия надлежит использовать: грунт, укрепленный цементом совместно с органическим вяжущим, первого и второго класса прочности; цементогрунт первого класса прочности - во II - V дорожно-климатических зонах; цементогрунт второго класса прочности - в III - V дорожно-климатических зонах.

Тонкослойные покрытия устраивают из горячих и холодных асфальтобетонных смесей. Целесообразно применение комбинированных покрытий, состоящих из черного щебня с последующей его пропиткой литой эмульсионно-минеральной смесью на основе битумных паст. На дорогах с интенсивностью движения до 1500 авт./сут для строительства тонкослойного покрытия можно использовать влажные органоминеральные смеси. Минимальная толщина слоя укрепленного грунта должна составлять 10 см, толщину покрытия назначают в пределах 4 - 6 см.

Рекомендуемые схемы конструкций дорожных одежд приведены на рис. 10.

Конструкции, показанные на рис. 10,в, г, устраивают на слое сформировавшегося укрепленного грунта. В конструкции, представленной на рис. 10,в, шов сжатия в слое основания не нарезают.

При выборе грунтов, подлежащих укреплению, предпочтение следует отдавать крупнообломочным, песчаным и супесчаным грунтам. В случае применения мелких одноразмерных песков, требующих для укрепления большого расхода цемента, в них рекомендуется вводить гранулометрические добавки, в качестве которых можно использовать супесчаные и суглинистые грунты, золу уноса, фильтр-прессную грязь, тонкодисперсные отходы производства.

Рис. 10. Варианты (а, б, в, г) конструкций дорожных одежд:

1 - покрытие из асфальтобетона или влажной органоминеральной смеси; 2 - основание из укрепленного грунта; 3 - шов сжатия; 4 - трещинопрерывающая прослойка из щебня; 5 - трещинопрерывающая прослойка из нетканого геосинтетического материала; 6 - комбинированное покрытие

Для укрепления грунтов следует применять портландцемент или шлакопортландцемент марки не ниже 300. При комплексном методе укрепления грунтов в качестве органических вяжущих можно использовать жидкие битумы (гудроны) с вязкостью 25 - 100 с, вспененные битумы и битумные пасты (эмульсии) на вязких битумах. Предпочтительнее применять пасты, приготовленные на извести.

В качестве пластификаторов смеси и замедлителей процесса твердения цементогрунта целесообразно использовать технические лигносульфонаты или кремнийорганические добавки типа ГКЖ.

Физико-механические свойства укрепленного грунта должны соответствовать требованиям СНиП 2.05.02-85.

Перед устройством покрытия на поверхность укрепленного грунта наносят подгрунтовку. Для этого используют жидкие битумы (гудроны) с вязкостью не менее 40 с и битумные пасты (эмульсии), содержащие битум с глубиной проникания иглы не более 90.

Трещинопрерывающую прослойку в конструкции (см. рис. 10,в) выполняют из плотной щебеночно-песчаной смеси или из двух щебеночных фракций по методу заклинки. Зерновой состав смесей должен отвечать требованиям ГОСТ 25607-94. Максимальный размер минерального зерна в смеси не должен превышать 40 мм.

При строительстве конструкции (см. рис. 10,г) трещинопрерывающую прослойку выполняют из геосинтетического нетканого материала типа Дорнит (ТУ 63.032-19-89), Свтекс (ТУ 186-7888-90 ОП 2), пропилен (ТУ 6-06-С 254-88).

В качестве материала покрытий можно использовать холодные и горячие асфальтобетонные смеси, соответствующие требованиям ГОСТ 9128-97; влажные органоминеральные смеси, отвечающие требованиям ТУ 218 РСФСР 536-85 и комбинированные покрытия [57].

При строительстве основания допустимы две технологические схемы производства работ: с укладкой покрытия как на несформировавшийся слой укрепленного грунта (сразу же после его уплотнения), так и спустя 5 - 10 дней после его устройства.

При устройстве покрытия на несформировавшемся основании укрепленный грунт готовят, как правило, в стационарной смесительной установке. Предпочтительнее использовать высокопроизводительную установку ДС-50Б, оснащенную двумя приемными бункерами (для грунта и гранулометрической добавки) и системами для дозирования и ввода минерального и органического вяжущего.

Поверхностно-активные добавки вводят в смесь в виде водных растворов.

Допускается применение метода смешения грунта с вяжущим на дороге с использованием однопроходных грунтосмесительных машин. Однако все технологические операции, включая устройство покрытия, должны быть завершены не позднее 4 ч с момента увлажнения цементогрунтовой смеси. При использовании смесей, содержащих цемент и органическое вяжущее, это время может быть увеличено до 8 ч.

При необходимости удлинения рабочей смены до 12 ч в смесь в виде водных растворов вводят технический лигносульфонат или кремнийорганическую добавку в количестве соответственно 0,5 - 1,0% и 0,01 - 0,5% от массы цемента. Требуемое количество добавки определяют заранее в лаборатории.

Аналогичные приемы увеличения безопасного технологического разрыва между увлажнением и уплотнением смеси можно использовать и в случае приготовления смеси в грунтосмесительной установке.

Приготовленную смесь автомобилями-самосвалами вывозят на дорогу, укладывают на подготовленное основание с помощью самоходного укладчика, планировщика или автогрейдера и уплотняют до максимальной плотности с помощью пневмо-, вибро- или комбинированных катков (пневмо + вибро), которые обладают наибольшей эффективностью.

Для увеличения срока службы дорожной одежды и предотвращения хаотического трещинообразования в уплотненном слое конструкции (см. рис. 10,б) нарезают поперечные швы сжатия шириной 4 - 15 мм на глубину не менее 0,25 его толщины. Расстояние между швами цементогрунтового основания составляет 6 - 7 м для умеренного и 4 - 5 м для континентального климата, в основании из грунта, укрепленного цементом и органическим вяжущим, - 8 - 10 м. Нарезают шов с помощью нарезчика, передвигаемого вручную, или самоходного (тротуарного) катка, на вальце которого по периметру закреплена клинообразная реборда высотой 5 - 7 см. Можно шов устраивать путем вдавливания металлического сварного уголка с полками длиной 5 - 7 см и 20 - 30 см катком в уплотненный слой или нарезать вручную (рис. 11).

Рис. 11. Приспособления для нарезки швов в несформировавшемся укрепленном грунте:

а - металлический сварной уголок; б - каток с клинообразной ребордой; в - приспособление для нарезки V-образного шва; г - приспособление для нарезки прямоугольного шва; 1 - клинообразная реборда; 2 - металлический каток

Сразу же после нарезки шов заполняют герметиком, битумной или тиоколовой мастикой. В случае нарезки вручную V-образного шва шириной более 5 см его можно мастикой не заливать.

Перед устройством покрытия на поверхность основания наносят подгрунтовку в виде жидкого битума (гудрона) или битумной пасты (эмульсии). Норма розлива подгрунтовки в виде битумной пасты составляет 0,3 - 0,5 л/м2, битумной эмульсии - 0,15 - 0,3 л/м2, жидкого битума (гудрона) - 0,4 л/м2. Наиболее целесообразно осуществлять подгрунтовку путем розлива катионной эмульсии марок ЭБК-1 и ЭБК-2. Время формирования пленки подгрунтовки из битумной эмульсии или пасты в зависимости от погодных условий составляет 30 - 120 мин.

После формирования пленки подгрунтовки укладывают покрытие. Толщину покрытия при укладке на несформировавшееся основание следует принимать равной 6 см. Асфальтобетонную смесь желательно уплотнять комбинированными катками.

Срок открытия движения транспортных средств со скоростью, не превышающей 40 км/ч, по построенному участку дороги с тонкослойным покрытием, уложенным на несформировавшееся основание, в зависимости от класса прочности укрепленного грунта и модуля упругости грунта земляного полотна (подстилающего слоя) приведен в табл. 5.

Таблица 5

Материал основания

Срок открытия движения, сут, в зависимости от модуля упругости грунта земляного полотна (подстилающего слоя),

МПа

50 - 100

более 100

Грунт, укрепленный цементом совместно с органическим вяжущим; цементогрунт первого класса прочности

3

2

Цементогрунт второго класса прочности

4

3

В эти же сроки в конструкции (см. рис. 10,б) нарезают швы сжатия и заполняют мастикой или герметиком.

При устройстве покрытия на сформировавшемся основании последовательность технологических операций, включая устройство швов, та же, что и в предыдущей технологии. Швы можно нарезать и перед устройством покрытия, используя дисковые нарезчики.

За уплотненным слоем необходимо производить уход в течение 5 - 10 сут. В случае устройства покрытия из песчаных смесей на основании из грунта, укрепленного цементом и органическим вяжущим, уход осуществляют с помощью рулонных паронепроницаемых пленок, битумированной бумаги или слоем песчаного грунта толщиной не менее 5 см. При устройстве покрытия из зернистых смесей уход за укрепленным грунтом помимо вышеперечисленных способов можно проводить путем розлива пленкообразующих материалов.

Перед устройством покрытия поверхность укрепленного грунта очищают, после чего наносят подгрунтовку в виде битумной пасты, эмульсии или жидкого битума. Условия, регламентирующие применение указанных вяжущих в качестве подгрунтовки, приведены в табл. 4. Подгрунтовку наносят на укрепленный слой, влажность верхней зоны которого должна составлять не более 6%.

В качестве подгрунтовки можно использовать пленку органического вяжущего, применяемую при уходе, если она не загрязнена, имеет хорошее сцепление с основанием и сохранилась не менее, чем на 90% его поверхности.

Покрытие устраивают после формирования пленки подгрунтовки.

Конструкции, включающие трещинопрерывающие прослойки, возводят на сформировавшемся слое основания.

Трещинопрерывающую прослойку толщиной 8 - 10 см, устраиваемую из щебня методом заклинки или из плотной песчано-щебеночной смеси, распределяют на подготовленное основание и уплотняют в соответствии со СНиП 3.06.03-85. Затем поверхность прослойки обрабатывают битумной эмульсией или жидким битумом в количестве, равном соответственно 0,5 - 0,8 или 0,3 - 0,4 л/м2. После формирования пленки подгрунтовки укладывают покрытие.

При устройстве трещинопрерывающей прослойки из геосинтетического нетканого материала вначале на очищенное основание с нарезанными (но незаполненными мастикой) швами разливают вязкий битум БНД 90/130, БНД 130/200 или битумную эмульсию в количестве 0,7 - 0,9 л/м2. Сразу же после розлива вяжущего над швами перпендикулярно оси дороги укладывают полосы геосинтетического материала шириной 1,6 - 2,0 м. Прослойка должна плотно прилегать к основанию и не иметь складок. Желательно прикатать прослойку ручным катком.

Работу по устройству покрытия следует организовать так, чтобы исключить повреждение прослойки и образование волн на ней при проходе асфальтоукладчика и проезде автомобилей-самосвалов. В случае прилипания прослойки к колесам автомобиля-самосвала следует посыпать песком ездовую колею в пределах прослойки.

5.2. Обследование опытных участков

Для подтверждения результатов лабораторных исследований, выявления работоспособности наиболее перспективных тонкослойных покрытий и защитных слоев, устраиваемых на основаниях из укрепленных грунтов, а также отработки технологии строительства конструкции за последние 30 лет были проведены опытные работы на многих дорогах, расположенных в I - V дорожно-климатических зонах. Всего было построено более 30 опытных участков общей протяженностью 5 тыс. м. За этот же период построено и эксплуатируется более 500 км дорог с основаниями из укрепленных грунтов и различными тонкослойными покрытиями. Массовое строительство дорог с такой конструкцией осуществлялось в период 1980 - 2000 гг. во многих регионах России. Наибольшее распространение они получили в Тамбовской, Пензенской, Московской, Тульской областях. В большей степени для строительства основания использовали цементогрунт и грунт, укрепленный цементом совместно с органическим вяжущим, толщиной слоя 15 - 25 см, в качестве покрытий - слой толщиной 3 - 8 см из горячего и холодного асфальтобетона, влажных органоминеральных смесей, а также комбинированное покрытие из черного щебня с последующей пропиткой литой эмульсионно-минеральной смесью. В подавляющем большинстве случаев конструкцию устраивали на дорогах III - IV категории с интенсивностью движения от 500 до 5000 авт./сут.

Многолетние обследования опытных участков и эксплуатируемых дорог с основаниями из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями позволили выявить основные дефекты, характерные для этой конструкции, определить динамику их изменения и реальный срок службы конструкции.

Результаты обследований свидетельствуют, что в конструкции без швов сжатия на покрытии в первую же зиму образуются хаотические отраженные трещины через каждые 10 - 18 м. Расстояние между этими трещинами с каждым годом уменьшается и к третьему - четвертому году эксплуатации составляет 3 - 7 м. Зона разрушения покрытия и основания вблизи этих трещин к указанному периоду эксплуатации достигает 3 - 10 см и оказывает заметное влияние на скоростной режим автомобилей. Поэтому на таких дорогах необходимо через 3 - 4 года делать ямочный ремонт покрытия с последующим устройством поверхностной обработки.

Как уже указывалось в главе 4, устройство ложных швов в слое основания провоцирует образование отраженных прямолинейных трещин в покрытии. В этом случае процессы разрушения покрытия и основания в зоне трещины идут менее интенсивно. Заливка битумной мастикой отраженных трещин в покрытии обеспечивает срок службы конструкции до устройства поверхностной обработки 6 - 10 лет. Характерна высокая ровность покрытий, построенных на цементогрунтовых основаниях. Лишь на незначительных по протяженности участках имеют место просадки всей дорожной одежды и продольные трещины, вызванные деформациями земляного полотна.

Расстояние между отраженными трещинами в покрытиях, уложенных на основания из грунтов, укрепленных минеральным и органическим вяжущими, составляет 7 - 20 м после 3 - 5 лет эксплуатации дороги. Замечено, что количество дефектов в зоне трещины значительно меньше при сравнении с основаниями из цементогрунта.

Сдвиг тонкослойного покрытия относительно основания характерен лишь для мест пересечений и участков дорог со значительными продольными уклонами. В большей степени недостаточной сдвигоустойчивостью обладают тонкослойные покрытия из песчаных смесей, приклеенные к основанию из цементогрунта жидким или разжиженным битумом. Случаев сдвига покрытий из зернистых смесей относительно основания из укрепленного грунта не отмечено. Нарезка V-образных швов в слое цементогрунта на 1/3 его высоты почти полностью исключает сдвиг покрытий из песчаных смесей относительно основания.

При строительстве 20 - 25% дорог была реализована технология, при которой тонкослойное покрытие укладывали на несформировавшийся укрепленный грунт. Такая технология обладает существенными преимуществами перед традиционной за счет исключения операции ухода за укрепленным грунтом и устранения технологического разрыва между устройством основания и покрытия. Кроме того, только при укладке на несформировавшийся цементогрунт можно обеспечить требуемую величину сцепления покрытия из песчаной смеси с основанием, гарантирующую сдвигоустойчивость в плоскости раздела. Проведенные обследования дорог, построенных по указанной технологии, это подтверждают.

Особенно часто укладку тонкослойного покрытия на несформировавшемся основании из цементогрунта осуществляли при строительстве конструкции при отрицательной температуре воздуха. Большой практический опыт строительства конструкций с основанием из цементогрунта в осенне-зимний период накоплен в Тамбовской и Пензенской областях. Возможность проведения строительства подобных конструкций при отрицательной температуре воздуха без ухудшения свойств материалов позволяет продлить строительный сезон на 2 - 4 месяца, ускорить ввод в эксплуатацию строящейся дороги, эффективнее использовать производственные ресурсы, снизить потери за счет уменьшения активности цемента.

Чтобы решить проблему удлинения строительного сезона при сооружении конструктивных слоев из цементогрунта, строители, реализуя разработки ГП «Росдорнии», пошли путем внесения в смесь минимального количества хлористых солей, практически не ухудшающих физико-механических свойств материала, в сочетании с устройством теплозащитного слоя, обеспечивающего набор критической прочности до его замерзания. В качестве теплозащитного слоя использовали песок, асфальтобетон, а также асфальтобетон с последующим укрытием слоем снега.

Строительные работы проводили при температуре воздуха до -15°С. Цементогрунтовую смесь готовили в основном в смесительных установках. Вместо воды в смесь вводили растворы хлористых солей разной концентрации. В качестве теплозащитного слоя использовали асфальтобетонное покрытие толщиной 4 - 6 см. В случае проведения работ при температуре воздуха ниже -10°С теплозащиту усиливали дополнительным слоем песка, шлака или снега толщиной 5 - 10 см, укладываемого на асфальтобетонное покрытие.

Обследования участков дорог, построенных в осенне-зимний период, подтверждают возможность реализации такой технологии при условии четкой организации работ, обеспечивающей оперативное устройство слоя основания и теплозащитных слоев и исключающей проезд транспортных средств по участку в течение 10 - 14 дней.

Очень обнадеживающие результаты получены при обследовании участков дорог с комбинированным покрытием, уложенным на основания из укрепленного грунта, цементобетона, асфальтобетона с большим количеством трещин температурного и усталостного характера. Результаты обследований подтвердили хорошие сцепные свойства и практическую водонепроницаемость комбинированного покрытия, а также выявили важную способность к затягиванию в теплое время года трещин, образующихся зимой и весной. Последнее обстоятельство подтверждается данными, приведенными на рис. 12, где показана кинетика трещинообразования на опытных секциях комбинированного покрытия и эталонном участке из среднезернистого асфальтобетона, которые были построены на смежных полосах движения дороги Киржач - Дубки в июне 1978 г. Покрытие укладывали в качестве слоя усиления толщиной 6 см на старое асфальтобетонное покрытие, имевшее сетку трещин с ячейкой в среднем 2×2 м.

Еще большей трещиностойкостью обладают комбинированные покрытия из щебня, обработанного органическим вяжущим, укладываемого в холодном состоянии. Обследования опытного участка протяженностью 200 м с комбинированным покрытием, расположенным на бетонном основании, показали, что спустя 2 года после начала эксплуатации участка при интенсивности движения 1200 авт./сут на покрытии совсем не было трещин. Лишь через 3 года появились две поперечные трещины над швами бетонного основания.

Рис. 12. Схема образования трещин на опытных секциях с комбинированным покрытием и на эталонном (заштриховано) асфальтобетонном покрытии:

1 - покрытие из черного высокопрочного гранитного щебня с заполнением битумным шламом верхней части слоя; 2 - то же, с заполнением битумным шламом нижней части слоя и закупоркой сверху; 3 - то же, с заполнением нижней части слоя; 4 - покрытие из черного известнякового щебня марки 400 с заполнением нижней части слоя и закупоркой сверху

Стойкую способность к самозалечиванию отраженных трещин в летний период подтверждают многолетние обследования дороги в Татарии с основанием из цементогрунта толщиной 19 см и комбинированным покрытием толщиной 8 см. Обследования опытного участка протяженностью 500 м на этой дороге через 7 лет после начала эксплуатации подтверждают отсутствие в слое покрытия отраженных трещин.

Способность к частичному самозалечиванию отраженных трещин в теплое время года проявляют и покрытия из холодных органоминеральных смесей, укладываемых на основания из укрепленных грунтов. Результаты обследований свидетельствуют также о довольно частом возникновении на таких покрытиях пластических деформаций в виде колей летом и выкрашиваний, образующихся зимой и весной от действия воды и мороза. В наибольшей степени подвержены разрушениям прикромочные полосы и участки между колеями, недостаточно уплотненные в процессе строительства и формирования покрытия.

Обследования опытных участков и значительных по протяженности участков эксплуатируемых дорог с прослойками из щебня толщиной 10 - 15 см между цементогрунтовым основанием и асфальтобетонным покрытием подтверждают их высокую эффективность для исключения отраженных трещин. Как правило, после 3 - 5 лет эксплуатации в асфальтобетонном покрытии возникают самостоятельные трещины температурно-усадочного характера с шагом 10 - 15 м.

Технико-экономические расчеты, проведенные с учетом фактических производственных затрат, показывают, что применение конструкций с основаниями из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями из различных органоминеральных смесей позволяет существенно снизить стоимость дорожного строительства, поскольку реальная экономия при строительстве 1 км дороги составляет 6 - 20 тыс. р. (в ценах 1980 г.). При этом достигается экономия битума до 30 т, щебня - до 3500 т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного анализа и многолетних обследований дорог с тонкослойным покрытием или защитным слоем на укрепленном грунте можно сделать вывод о том, что основными критериями устойчивости конструкции являются сдвигоустойчивость в плоскости раздела основания и покрытия, устойчивость против образования трещин, способность противостоять износу.

Одна из важнейших задач настоящей работы заключается в разработке требований к сцеплению различных типов тонкослойных покрытий с основанием из укрепленного грунта, обеспечивающих сдвигоустойчивость в зоне контакта при расчетной температуре. Для количественной оценки значения междуслойного сцепления и трения использован метод расчета по предельному равновесию.

Проведенными позднее лабораторными исследованиями и испытаниями в полевых условиях были уточнены расчетные минимальные величины сцепления с учетом совместного действия подвижной нагрузки и климатических факторов и найдены пути их достижения.

Выявлено, что лучшие показатели сцепления покрытия с основанием достигаются при использовании в качестве подгрунтовок битумных паст и эмульсий. Причем с уменьшением влажности верхнего слоя укрепленного грунта прочность сцепления с ним плешей битума, выделившегося в результате распада битумной пасты или эмульсии, увеличивается. Снижение влажности укрепленного грунта под пленкой битумной пасты или эмульсии, нанесенной спустя 7 - 10 сут после его уплотнения, влечет за собой усиление адгезионных связей пленки за счет активизации процессов физической адсорбции и хемосорбции.

Необходимость обоснования требований к сдвигоустойчивости в плоскости раздела потребовала проведения лабораторных и полевых испытаний большого числа двуслойных моделей с различными типами оснований и покрытий. Полученные прямолинейные зависимости напряжений при сдвиге характеризуются известным уравнением Кулона.

За счет больших значений сцепления и коэффициента трения сдвигоустойчивость в плоскости раздела покрытия из зернистых смесей и цементогрунта в 1,5 раза выше по сравнению с песчаными смесями. Величина сцепления (зацепления) в этом случае отличается более чем в 2 раза.

Сдвигоустойчивость в плоскости раздела при повышении температуры снижается. Различия в сдвигоустойчивости, получаемые при использовании в качестве подгрунтовок разных вяжущих, зависят от удельной вертикальной нагрузки и температуры при испытании. С их увеличением эта разница уменьшается за счет изменения сил трения и сцепления в плоскости раздела.

Битумоизвестковая паста, используемая в качестве подгрунтовки под тонкослойное покрытие, обеспечивает лучшую сдвигоустойчивость по сравнению с другими вяжущими при испытании в исследованном диапазоне температур.

Проведенные испытания позволили установить, что сдвигоустойчивость в плоскости раздела покрытия и основания из грунта, укрепленного цементом и битумной эмульсией, увеличивается в 1,3 раза по сравнению с основанием из цементогрунта.

Результаты теоретических расчетов, лабораторных и полевых исследований позволили разработать требования к сцеплению тонкослойных покрытий с основаниями из укрепленных грунтов и установить условия, при которых эти силы достаточны для обеспечения сдвигоустойчивости в плоскости раздела.

При сопоставлении результатов лабораторных и полевых испытаний с разработанными требованиями видно, что достичь устойчивости тонкослойных покрытий из песчаных смесей на сформировавшемся и гладком цементогрунтовом основании невозможно даже при использовании в качестве подгрунтовки битумных паст и эмульсий. Поэтому для возможности практической реализации этой распространенной конструкции автором данной обзорной информации предложен технологический прием укладки покрытия на несформировавшийся цементогрунт, позволяющий повысить сцепление (взаимозацепление) двух слоев в 6 - 10 раз.

Среди многочисленных практических рекомендаций, направленных на повышение трещиностойкости конструкции, наиболее неоправданным и дискуссионным является требование увеличения до 12 - 18 см толщины слоев покрытий из битумоминеральных материалов. Особенно эффективными мероприятиями являются фрагментирование жесткого (полужесткого) основания, устройство трещинопрерывающих прослоек между слоями основания и покрытия, использование в слоях оснований комплексно укрепленных грунтов, а в качестве покрытий - материалов, обладающих хорошей деформативностью при отрицательной температуре и способностью самозалечивать трещины в теплое время года.

Наиболее эффективным и радикальным способом предотвращения отраженных трещин и увеличения срока службы конструкции считается нарезка швов сжатия в обоих конструктивных слоях с немедленным заполнением их мастикой.

Практический опыт, приобретенный в результате строительства и обследований более 30 опытных участков и 500 км эксплуатируемых дорог, позволил установить оптимальные конструкции дорожных одежд с основаниями из укрепленных грунтов и различными тонкослойными покрытиями и разработать технологию производства работ. При строительстве основания предусмотрены две технологические схемы: с укладкой покрытия на несформировавшийся слой укрепленного грунта и спустя 5 - 10 дней после его устройства.

Результаты многолетних обследований свидетельствуют о том, что лучшие технико-эксплуатационные показатели достигаются в конструкции с основаниями из грунтов, укрепленных цементом в сочетании с органическими вяжущими, фрагментированными с помощью поперечных швов сжатия на блоки длиной 7 - 10 м. Среди покрытий наиболее обнадеживающие результаты получены при использовании холодных органоминеральных смесей и комбинированных покрытий из черного щебня с последующей пропиткой литой эмульсионно-минеральной смесью.

Накоплен большой положительный опыт строительства конструкций методом укладки покрытия на несформировавшееся цементогрунтовое основание при отрицательной температуре воздуха.

Применение конструкций с основаниями из укрепленных грунтов и тонкослойными покрытиями из различных органоминеральных смесей позволяет существенно снизить материальные и денежные затраты при строительстве дорог III - V категории.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. - М.: Автотрансиздат, 1956. - 243 с.

2. Марков Л.А., Добровольский В.П. Исследование сцепления защитных слоев с укрепленными грунтами: Тез. докл. 25 науч.-исслед. конф. / МАДИ. - М., 1967. - С. 21-24.

3. Ольховиков В.М., Шамраев B.C. Однослойные асфальтобетонные покрытия на цементогрунтовых основаниях // Автомоб. дороги. - 1988. - № 3. - С. 12-13.

4. Безрук В.М. Методы укрепления грунтов в дорожном строительстве США. - М.: Орггрансстрой, 1961. - 136 с.

5. Fohs D., Kinter E. Soil-Portland cement twickness design-summary of current practices // Public Roads. - 1970. - Vol. 36. - № 4. - P. 75-82.

6. Васильев Ю.М., Надежко А.А. Уменьшение трещинообразования покрытий на цементогрунтовых основаниях // Автомоб. дороги. - 1969. - № 8. - С. 14-15.

7. Иноземцев А.А. Битумно-минеральные материалы. - Л,: Изд-во литературы по строительству, 1972. - 150 с.

8. Bergman F.W. Der Bau von Bodenverfestigungen auf kleineren und mittleren Baustellen // Straβenbau-Technik. - 1968. - № 11. - P. 701-708.

9. Сасько Н.Ф., Харченко В.И. Исследование прочности грунтовых оснований под слоями из укрепленных грунтов // Стр-во и эксплуатация дорог и мостов. - Киев: Будiвельник, 1972. - Вып. 1. - С. 3-7.

10. Ольховиков В.М. Повышение устойчивости тонкослойных покрытий на основаниях из укрепленных грунтов // Автомоб. дороги. - 1986. - № 5. - С. 11-13.

11. Толстиков Н.П. Повышение устойчивости однослойных асфальтобетонных покрытий на цементогрунтовых основаниях // Автомоб. дороги. - 1965. - № 6. - С. 7-8.

12. Шахназарова М.А. Повышение устойчивости однослойных асфальтобетонных покрытий: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М., 1959. - 16 с.

13. Ястребова Л.Н., Безрук В.М. Рациональные конструкции дорожной одежды со слоями из укрепленных грунтов // Автомоб. дороги. - 1967. - № 2. - С. 13.

14. Иванов Н.Н. Требования к слоям укрепленного грунта в зависимости от конструкции дорожной одежды: Доклады и сообщения на совещании по строительству дорожных оснований и покрытий из грунтов, укрепленных вяжущими материалами. - М.: Оргтрансстрой, 1961. - С. 28-31.

15. Могилевич В.М. Строительство автомобильных дорог. Ч. 2. - М.: Транспорт, 1964. - 520 с.

16. Jung Ernst. Verklebimg bitumimu,sen Schichten. Ja oder nein? // Straβenbau-Technik. - 1965. - № 18. - P. 1434-1436.

17. Иванов Н.Н. Причины образования трещин в асфальтобетонных покрытиях. - М., 1953. - С. 3-11. - (Тр. / МАДИ; Вып. 15).

18. Шахназарова М.А. Сопротивление сдвигу асфальтобетонных покрытий по цементобетонному основанию. - М., 1958. - С. 17-24. - (Тр. / МАДИ; Вып. 23).

19. Васильев А.П., Шамбар П. Поверхностная обработка с синхронным распределением материалов. - М.: Трансдорнаука, 1999. - 80 с.

20. Плотникова И.А., Рвачева Э.М., Гохман Л.М. Поверхностная обработка повышенной прочности // Автомоб. дороги. - 1976. - № 1. - С. 6-8.

21. Яромко В.Н. Расчет и конструирование дорожных одежд со сниженным расходом вяжущих материалов. - М., 1987. - 48 с. - (Автомоб. дороги: Обзорн. информ. / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР; Вып. 5).

22. Гохман Л.М., Давыдова А.Р. Применение органических вяжущих в дорожном строительстве: Юбилейн. вып. - М., 2001. - С. 35-55. - (Сб. науч. тр. / Союздорнии).

23. Чернигов В.А., Субботина И.В. К расчету и конструированию цементобетонных оснований под асфальтобетонные покрытия. - М., 1967. - С. 33-58. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 17).

24. Scheidegger W. Rationeiler Wirtsihaftswegebau // Fach. bl. Bauweisen. - 1965. - № 12.

25. Стенд для испытания дорожных конструкций / В.В. Малеванский, Л.А. Радченко, Б.С. Радовский и др. // Автомоб. дороги. - 1969. - № 8. - С. 22.

26. Krebs H.J. Vergleichende Verschleiβuntersuhungen von Oberflächen behandlungen auf Asphalttrag // Straβen und Tiefbau. - 1969. - № 7. - P. 625-632.

27. Pincon A. Bilan de trois annees d'application des nouvelles technigues Slurry-Seal // Rev. gen. routes et aerodr. - 1966. - № 36.

28. Ольховиков В.М., Лупанов А.П., Бабков И.Б. Технология устройства защитных слоев на основе катионных битумных эмульсий и задачи по ее освоению // Наука и техника в дор. отрасли. - 1998. - № 2. - С. 9-10.

29. Алферов В. Совершенствование технических требований к слоям износа из литых эмульсионно-минеральных смесей // Дороги России XXI века. - 2002. - № 4. - С. 66-67.

30. Володько В.П., Раб И.И. Использование фильтр-прессной грязи для приготовления битумных паст: Вопросы улучшения технического состояния автодорог Казахстана. - Алма-Ата: Казахстан, 1965. - С. 91-94.

31. Stosch H. Bituminöse Schlämmen-Sinno-der Unsinn der Anwendung // Straβenbau-Technik. - 1970. - № 22. - P. 1432-1440.

32. Kern A. Einführung der bituminösen Schlämme in Bezirk Year // Die Straβe. - 1965. - № 11. - P. 558-562.

33. Ольховиков В.М. Обработка пористых покрытий шламом // Автомоб. дороги. - 1970. - № 12. - С. 17-18.

34. Плотникова И.А. Исследование устойчивости катионных эмульсий при взаимодействии с тонкодисперсными материалами. - М, 1974. - С. 7-14. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 1).

35. Müller F. Jradophalt // Fach. bl. Bauweisen. - 1966. - № 8.

36. Гохман Л.М. Основные направления в строительстве асфальтобетонных покрытий с применением полимерно-битумных вяжущих. - М., 1975. - 36 с. - (Обзорн. информ. / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР; Вып. 9).

37. Поздняева Л.В., Горелышева Л.А. Материалы для снижения образования трещин в асфальтобетонных покрытиях. - М., 2000. - С. 180-185. - (Тр. / Росдорнии; Вып. 10).

38. Linemann К. Zur Wahl der zweekmäsigen Oberflächen Schutzschicht auf bituminösen Verschleiβschichten // Strasse. - 1972. - № 3. - S. 12.

39. ТУ 218 РСФСР 601-88. Смеси битумоминеральные открытые для устройства макрошероховатых слоев дорожных покрытий / НПО Росдорнии. - Введ. 01.05.89; Введ. впервые. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1989. - 27 с.

40. Кирюхин Г.Н., Балашов С.Ф., Сокальская М.Б. Устройство слоев износа из горячих щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей: Юбилейн. вып. - М., 2001. - С. 76-84. - (Сб. науч. тр. /Союздорнии).

41. Агалаков Ю.А. Исследование работоспособности тонких асфальтобетонных покрытий с повышенным содержанием щебня на цементобетонных основаниях: Автореферат дис. канд. техн. наук. - Омск, 1999. - 21 с.

42. ТУ 218 РСФСР 536-85. Смеси органоминеральные влажные для устройства конструктивных слоев дорожных одежд / Минавтодор РСФСР. - Введ. 01.02.86; Введ. впервые. - М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, 1986. - 20 с.

43. Иванов Н.Н. Прочность и устойчивость покрытий из смесей каменных материалов, обработанных органическими вяжущими. - В. кн.: Могилевич В.М. Строительство автомобильных дорог. Ч. 2. - М.: Транспорт, 1964. - С. 135-160.

44. Адгезия, клеи, цементы, припои: Сб. статей / Под ред. Н. Дебройна и Р. Гувинка. - М.: Изд-во иностр. лит., 1954. - 584 с.

45. Москвитин Н.И. Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. - М.: Лесная пром-сть, 1964. - 248 с.

46. Рупп Э. Процессы склеивания и прилипания. - М.: Искусство, 1958. - 60 с.

47. Королев И.В. Структура и свойства дорожных теплых асфальтобетонов: Автореферат дис. д-р техн. наук. - М, 1975. - 13 с.

48. Никишина М.Ф. Применение эмульсий в дорожном строительстве: Тр. I конф. по получению и применению эмульсий в дор. стр-ве. - Рига, 1963. - 149 с.

49. Лысихина А.И., Ястребова Л.Н. О стабильности битумов и взаимодействии их с минеральными материалами. - М.: Дориздат, 1952. - 176 с.

50. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. Новая область науки. - М: Знание, 1958. - 64 с.

51. Амброс Р.А. Об исследовании влияния химических добавок на сцепление битума с каменными материалами. - Таллин, 1956.

52. Chapter TWO. Present Practices and Technigues Used in Pavement Rehabilitation // National Coop. Highway Research Programm Synth. - 1973. - № 9. - P. 6-16.

53. Мерзликин А.Е. Повышение трещиностойкости дорожных одежд с цементобетонным основанием с помощью георешеток // Научные исследования и разработки Союздорнии. - М., 2001. - (Тр. / Союздорнии).

54. А.с. 1164357 СССР, МКИ4 Е 01 С 5/00. Способ возведения дорожной одежды / Л.А. Марков, Б.С. Фарбер, Б.С. Радовский; Союздорнии (СССР). - № 3660072/29-33; Заявл. 05.11.83; Опубл. 30.06.85, Бюл. № 24.

55. А.с. 787544 СССР, МКИ3 Е 01 С 7/32. Дорожная одежда / В.М. Ольховиков, Г.С. Бахрах; Гипродорнии (СССР). - № 2728548/ 29-33; Заявл. 21.02.79; Опубл. 15.12.80, Бюл. № 46.

56. Ольховиков В.М., Бахрах Г.С. Опыт применения комбинированных дорожных покрытий. - М: Транспорт, 1983. - 41 с.

57. Рекомендации по устройству комбинированных дорожных покрытий из черного щебня и битумного шлама / Гипродорнии. - М., 1979. - 24 с.