книги / Технология устройства и ремонта асфальтобетонных покрытий

После распределения смеси асфальтоукладчиком на поверх­ ности уложенного слоя не должно быть трещин, раковин, разры­ вов и т.п., что связано с неточной регулировкой рабочих органов по высоте, недостаточной температурой нагрева плиты, неравно­ мерным заполнением смесью шнековой камеры (см. гл. 6). Заме­ ченные дефекты необходимо исправить вручную до начала уплот­ нения слоя катками [7].

6.5, Уплотнение

Механизм уплотнения асфальтобетонных смесей. Уплот­ нение — завершающий и очень важный этап в технологии уст­ ройства асфальтобетонных покрытий.

Известно, что физико-механические свойства асфальтобетона (пористость, прочность, деформативная способность, сдвигоустойчивость, водо- и морозостойкость), а также ровность и шерохова­ тость покрытий при прочих равных условиях в значительной сте­ пени обусловливаются их плотностью.

Чем выше степень уплотнения асфальтобетонного слоя, тем меньше возможность последующего деформирования под воздей­ ствием колес автомобилей, т. е. покрытие дольше сохраняет свою ровность и высокий уровень удобства движения [22].

На рис. 3.31 показано, что по мере достижения более вы­ сокой плотности асфальтобето­ на, а следовательно, снижения пористости, деформативная ус­ тойчивость его против разру­ шающих внешних факторов растет. Опыт показывает, что недоуплотнение асфальтобе­ тонных покрытий в период строительства, особенно в кон­ це строительного сезона, при­ водит к сокращению сроков службы и увеличению затрат на их ремонт.

В процессе уплотнения смеси происходит упаковка ее зерен, их сближение, а также выдавливание воздуха, вовле­ ченного в смесь при ее переме­ шивании.

Упаковка зерен щебня в покрытии, т.е. наиболее удобное их

взаиморасположение, происходит при первых проходах катка по одному следу. Сближение зерен при уплотнении сопровождается выжиманием битума из точек контактирования зерен в межзер­ новые пустоты. Поскольку асфальтобетонная смесь — сложный вязкопластичный материал, свойства которого изменяются во вре­ мени (с момента ее приготовления), то одноразовое приложение нагрузки, даже очень большой, не может уплотнить смесь до воз­ можного предела.

Процесс уплотнения, т.е. изменение объема (формы), происхо­ дит в результате постепенного течения вязкого реологического тела, что может быть достигнуто многократными силовыми воз­ действиями (многократные проходы катка по одному следу) или длительным давлением постоянной нагрузки (изготовление ла­ бораторных образцов в металлической форме под статической на­ грузкой в течение 3 мин).

В общем при уплотнении любой асфальтобетонной смеси раз­ личными уплотняющими средствами процесс уплотнения проис­ ходит следующим образом [10].

Первый проход катка уменьшает толщину уплотняемого слоя на величину Z1(рис. 3.35а) , плотность и прочность слоя за вальцем становится больше, чем перед вальцем; удельное давление вальца на слой равно массе вальца, деленной на площадь контак­ та Р, рассчитываемую по формуле:

(см2),

где Ьх— длина полухорды; / — ширина вальца.

Второй проход катка по тому же следу уменьшает толщину слоя еще на величину Z2, меньшую, чем Z ; площадь контакта вальца с уплотняемым слоем уменьшается, следовательно, удельное дав­ ление увеличивается.

Третий проход катка уменьшает толщину слоя еще на величи­ ну Z3, которая меньше, чем Z2, и удельное давление вальца на уп­ лотняемый слой становится еще больше, но и прочность асфаль­ тобетона также увеличивается.

Через 5—6 проходов катка его удельное давление становится равным величине сопротивления сжатию асфальтобетона при данной температуре, дальнейшие проходы этого катка плотность не увеличивают, поэтому необходимо включить в работу более тя­ желый каток. По мере роста уплотняющей нагрузки и (или) вре­ мени ее действия контактирование зерен становится все более плотным, и более прочными становятся зоны битумного слоя, вследствие чего, увеличивается прочность асфальтобетона.

Предельно возможная плотность достигается при таком дав­

лении, превышение которого приводит к дроблению зерен щеб­ ня. По мере уплотнения укатываемый слой становится все более прочным как вследствие уплотнения, так и остывания, сложность данного этапа — успеть сделать необходимое количество прохо­ дов катка до остывания слоя.

Факторы, влияющие на уплотняемость асфальтобетон­ ных смесей. Плотность асфальтобетона зависит от величины и вида уплотняющей нагрузки и уплотняемости смеси.

Под уплотняемостью понимается способность изменять перво­ начальный объем (или форму) под воздействием уплотняющей нагрузки.

Уплотняемость асфальтобетонных смесей обусловливается: тем­ пературой смеси при уплотнении, зерновым и петрографическим составом минеральной части, количеством и формой зерен, вязкос­ тью битума и его содержанием, содержанием поверхностно-актив­ ных веществ, характером воздействия средств уплотнения.

Уплотнение следует начинать при максимально (в пределах норм) возможной температуре. Максимальное давление вальца не должно превосходить сопротивление сжатию и сопротивление сдвигу асфальтобетона при данной температуре, иначе при более высокой температуре каток «тонет» и на поверхности слоя появ­ ляются трещины, наплывы, волны.

Чем раньше (т.е. при более высокой температуре) начат про­ цесс уплотнения, тем более вероятно достижение требуемой плот­ ности асфальтобетона. Кроме ка­ чественной стороны уплотнение смеси при более высокой темпера­ туре требует и меньшей работы по уплотнению.

На рис. 3.32 показана зависи­ мость усилия при уплотнении от температуры смеси. Видно, что высокая температура облегчает уплотнение смеси. Это связано с тем, что при малой вязкости битум действует как смазка и снижает трение минеральных зерен [10]. С возрастанием вязкости битума при снижении температуры смеси рез­ ко увеличивается усилие уплотне­ ния. Приходится преодолевать кроме трения минеральных зерен еще и их сцепление с битумом.

Зерновой состав и форма зерен минеральной части асфальто­ бетонной смеси являются главными факторами, определяющими величину угла внутреннего трения и внутреннего сцепления, ко­ торые существенно влияют на уплотняемость смесей. Асфальто­ бетонные смеси, в которых применяется минеральный материал окатанной формы (гравий, речной песок), обладают лучшей удобоукладываемостью и более высокой уплотняемостью по сравне­ нию со смесями из дробленых материалов. При одинаковом зер­ новом составе уплотняемость смеси с увеличением крупности при­ меняемого щебня понижается.

Смеси, содержащие избыток минерального порошка характе­ ризующиеся высокой вязкостью асфальтовяжущего вещества (АВВ — минеральный порошок + битум), имеют более низкую уплотняемость.

чем образцов из малощебени­ стых смесей. Далее в п. 6.7 бу­ дет показано, что для уплот­

нения многощебенистых смесей по сравнению с малощебенисты­ ми требуется меньшее количество проходов катков.

Уплотняемость смесей улучшается с повышением содержания битума до оптимального количества. Смеси (жирные) с избытком битума невозможно уплотнить до предельно возможного состояния.

Врезультате введения поверхностно-активных веществ (ПАВ)

васфальтобетонную смесь ее уплотняемость улучшается, так как ПАВ действует как смазка, уменьшая вязкость битума, и, следо­ вательно, уменьшая трение и сопротивление перемещению ми­ неральных зерен.

На уплотняемость смесей существенное влияние оказывает также метод уплотнения, выбор которого предопределяется типом зернового состава смеси.

При уплотнении лабораторных образцов из многощебнистых

смесей наиболее эффективен комбинированный метод (вибрация

исжатие), а пластичных смесей — статическое сжатие на прессе. Поэтому при устройстве асфальтобетонных слоев из высокоплот­ ных смесей и смесей типа А и Б, а также пористых и высокопорис­ тых требуемую [10] плотность рекомендуют достигать обязатель­ ным совмещением воздействия трамбующего бруса и виброплиты

сдоуплотнением катками, а смесей типа В, Г, Д — при меньшем влиянии вибровоздействия (п. 6.4) — с использованием легких, средних и тяжелых катков.

Классификация дорож ных катков. Дорожные катки зани­ мают значительное место в технологическом процессе ремонта и строительства дорог.

История возникновения и совершенствования катков начата еще 2—3 тыс. лет до н. э. с каменных катков на ручной тяге, про­ должена во второй половине XIX в. металлическими катками с балластными ящиками на конной тяге и паровоми самоходными катками, а в XX в. — катками с двигателем внутреннего сгорания

ипроизводительными самоходными гладковальцовыми пневмо-, вибро- и комбинированными катками.

На рис. 3.34 дана классификация дорожных катков.

При новом строительстве, ремонте и реконструкции дорог и улиц в Москве используются катки отечественного и импортного производства.

Косновным техническим характеристикам катков относятся:

масса, рабочая скорость, ширина вальца (уплотняемой полосы), диаметр вальца, линейное давление, частота вибрации (для кат­ ков вибрационного действия), мощность двигателя (для самоход­ ных и прицепных вибрационных катков). Значения технических характеристик приводятся в паспорте, инструкции по эксплуата­ ции дорожного катка или в справочной литературе.

Техническая характеристика ряда катков дана в Приложении: табл. 2.1 — статического действия с гладкими вальцами; табл. 2.2 — самоходных вибрационных; табл. 2.3— вибрационных прицепных; табл. 2.4 — пневмоколесных прицепных; табл. 2.5 — пневмоколесных полуприцепных; табл. 2.6 — самоходных пнев­ моколесных; табл. 2.7 — комбинированного действия, табл. 2.8 — виброкатков фирмы «Бомаг».

В конце 1980-х гг. парк катков в наших дорожных организа­ циях имел 84% гладковальцовых катков. За последние годы это соотношение несколько уменьшилось за счет оснащения подряд­ ных организаций импортными и отечественными пневмо- и ком­ бинированными катками, да и характеристика гладковальцовых катков значительно изменилась.

Р и с . 3.34. К лассиф икация дорож ны х кат ков

Уплотнение асфальтобетонного слоя зависит от параметров уплотняющих средств и режима их работы.

Особенности работы гладковальцовых катков. Для кат­ ков с гладкими вальцами эффективность уплотнения асфальто­ бетонного слоя определяют такие параметры, как общая масса — Р, кг; диаметр вальца — Д см; ширина вальца — В, см; давление на единицу ширины вальца — Па/см; скорость — V, км/ч; число проходов — ДГ0.

На рис. 3.35 представлена схема механизма уплотнения глад­ ковальцовым катком. Уплотняющая нагрузка передается от слоя

позволяет сделать вывод, что степень уплотнения материала под гладким вальцом в районе оси вальца будет меньше.

По массе отечественные гладковальцовые катки делятся на легкие (6—8 т), средние (10— 13 т) и тяжелые (11— 18 т).

До 1990-х гг., когда многие дорожные организации применя­ ли в основном отечественную технику, примером самых распрост­ раненных катков были ДУ-50— легкий каток, ДУ-48А и ДУ-48Б — средние и ДУ-49А (триплекс 3x3) — тяжелые. Если легкий и тя­ желый катки хорошо зарекомендовали себя в дорожном строитель­ стве, то средний каток ДУ-48А (двухосный трехвальцовый 2x3), преобладающий в составе парка гладковальцовых катков, имеет ряд недостатков по сравнению с зарубежными среднего класса катками — двухосными двухвальцовыми (2x2 — «тандем»).

У катков 2x3 ширина уплотнения в 1,5 раза больше, чем у кат­ ков 2x2, однако, вследствие того, что их передний и задние валь­ цы идут не по одному уплотняемому следу, число проходов этих катков необходимо увеличивать в 2 раза по сравнению с катками 2x2.

Ширина вальцов катков статического действия, эксплуатиро­ вавшихся до 1990-х гг., составляла от 500 до 1400 мм, поэтому даже при максимальном размере они плохо вписывались в технологи­ ческие режимы уплотнения полос шириной 3,5—3,75. При ремонте магистральных улиц и дорог с большой шириной проезжей части предпочтительны зарубежные катки производства Германии, Япо­ нии с шириной уплотнения 1800—2000 мм и больше.

Распространенность же катков с формулой 2x3 в городских ус­ ловиях объясняется возможностью подхода вплотную к стенкам, высоким бордюрам и другим препятствиям благодаря выступаю­ щим за габарит самого катка ведущим вальцам.

Не менее важным параметром катков является диаметр валь­ ца (П = 600—1600 мм). С его уменьшением не только снижается площадь контакта вальца с поверхностью качения, что само по себе ухудшает механику уплотнения, но и растет опасность сдвига сме­ си, а вследствие этого ухудшается качество уплотнения.

Так как у вальца большого диаметра меньше сопротивление качению и колееобразованию, то дорожники отдают предпочте­ ние таким каткам, поскольку при их использовании повышается ровность уплотняемого покрытия. Катки статического действия вследствие жесткости вальцов развивают на контакте с покрыти­ ем очень высокие давления (до 2,5—3,0 МПа, ДУ-48А— 5—7 МПа), что способствует не только получению требуемой плотности, но и может привести к образованию на его поверхности макро- и мик­ ротрещин; они служат причиной дробления каменных материа­

лов в асфальтобетонных смесях с большим содержанием щебня и дробленого песка (типа А, Б, Г) и ухудшения текстуры шерохова­ той поверхности.

Скорость гладковальцовых катков при старых моделях асфаль­ тоукладчиков в начале укатки должна быть не более 1,5— 2 км/ч, после 5—6 проходов может быть увеличена до 3— 5 км/ч, при со­ временных асфальтоукладчиках в начале укатки не должна пре­ вышать 5 км/ч.

При первом проходе гладковальцовых катков (особенно при ГХ2 м) ведущие вальцы должны быть впереди.

Особенности работы виброкатков. Известно, что вибрация снижает внутреннее трение минеральных материалов и высокая степень уплотнения достигается совместным воздействием массы катка и динамической нагрузки, что приравнивает работу средне­ го по массе (10—12 т) виброкатка к работе тяжелого гладковальцо­ вого катка. Для вибрационных вальцов (рис. 3.36а) по сравнению с гладковальцовыми статического действия при одинаковой площа­ ди контакта со смесью глубина распределения напряжений увели­ чивается за счет передачи частицам уплотняемой смеси вибраци­ онной нагрузки. Сравнивать вибрационное воздействие катков можно, в частности, по частоте и минимальной амплитуде, являю­ щихся функцией массы вальца и характеристик экцентрика [22].

Обычно амплитуда вибрации бывает в пределах 0,025— 0Л02 см. Некоторые катки предназначены для работы только с одной номинальной амплитудой, другие могут иметь два режима работы — с минимальной и максимальной амплитудами. Реаль­ ная амплитуда при работе катка отличается от номинальной вследствие различия свойств уплотняемого материала. Увеличе­ ние амплитуды вибрации повышает уплотняющее усилие, пропор­ ционально изменяя динамическую силу.

Для относительно тонких слоев смеси (около 3 см в уплотнен­ ном состоянии) каток вибрационного действия обычно использу­ ется в статическом режиме (без вибрации). Это объясняется тем, что после нескольких проходов вибрирующий валец начнет «от­ скакивать» от таких тонких слоев вследствие высокой жесткости нижнего слоя, на который уложен этот тонкий слой (и скорее бу­ дет разрушать, а не уплотнять слой покрытия).

Для слоев толщиной от 3 до 10 см катки вибрационного дей­ ствия должны работать с малой амплитудой. По мере повышения толщины слоя часто бывает выгодным повысить номинальную амплитуду вибрации.

Изменение частоты вибрации при заданной амплитуде вызы­ вает рост динамического воздействия пропорционально квадрату

окружной скорости эксцентрика на валу. Некоторые виброкатки предназначены для работы только с одной частотой или имеют ограниченный выбор частот. Другие катки могут менять частоту вибрации в интервале от 1600 до 3000 1/мин. Частоты менее 2000 1/мин (33 Гц) обычно неприемлемы для уплотнения асфаль­ тобетонных слоев.

Снижение частоты вибрации и увеличение скорости катка приводят к увеличению расстояния между точками приложения

между ударами (большее число ударов на единицу расстояния укатки). Однако при этом следует учитывать, что снижение ско­ рости катка ведет к снижению производительности.

то скорость последнего необхо­ димо снизить. Кроме того, от скорости виброкатков зависит длина

промежутков между ударами, что проиллюстрировано рис. 3.38. Как уже ранее упоминалось, длина этого промежутка является важным параметром для контроля величины динамического воз­ действия, оказываемого на смесь, и получения ровной поверхнос­ ти асфальтобетонного покрытия.

Создание вибрационных отечественных катков предусматри­ вало наряду с улучшением условий уплотнения повышение про­ изводительности процесса, снижение металлоемкости и числа ти­ поразмеров катков в комплексе. Первые вибрационные катки име­ ли массу 3—4 т.

В настоящее время наиболее эффективным отечественным