книги / Техническое нормирование макрошероховатости дорожных покрытий автомобильных и лесовозных дорог

ного события), отличающаяся формированием числового ряда измерений макрошероховатости дорожного покрытия в виде статистического инварианта, позволяющая не зависеть от базы измерения;

2)предложены новые геометрические параметры макрошероховатости дорожного покрытия с учетом статистического распределения глубин впадин и активных выступов щебня: разновысотность, разноглубинность, разнодлинность, на основе дополнения ГОСТ 2789–73 оценкой статистических распределений разбросов глубин впадин и высот активных контактирующих выступов макрошероховатости, а также их числом пересечений уровня, позволяющая использовать элементы корреляционного анализа на этапе технического нормирования параметров качества;

3)предложена оценка корреляционной функции числового ряда измерений макрошероховатого дорожного покрытия, отличающаяся применением числа пересечений уровня как оценки автокорреляционной функции макрошероховатости поверхностей, что позволяет достоверно определить места с пониженными и повышенными параметрами макрошероховатости;

4)выбрана адекватная структура в виде теоретико-вероятностных моделей описания геометрии шероховатых поверхностей А.А. Первозванского и А.В. Королева, на основе усовершенствования известных математических моделей для описания статистического распределения активных выступов и глубин впадин макрошероховатости относительно уровня вяжущего, позволяющая апробировать разработанные модели и методики на собственных экспериментальных данных, а также на результатах зарубежных и отечественных ученых;

5)разработаны методы технического нормирования и проектирования шероховатых поверхностных обработок и тонких слоев износа автомобильных и лесовозных дорог и ездового полотна мостовых сооружений, отличающиеся использованием статистических параметров неоднородности, позволяющие обеспечить достоверность и воспроизводимость результатов измерения макрошероховатости;

6)усовершенствован теоретико-вероятностный подход определения требуемых параметров качества макрошероховатых дорожных покрытий, отличающийся использованием математической модели оценки риска снижения коэффициента сцепления, позволяющий учесть уменьшение глубин неровностей макрошероховатости на дорожном покрытии;

11

7) усовершенствованы методы автоматизированного контроля геометрических параметров макрошероховатости дорожных покрытий, в том числе разработана структура 3D-моделирования и экспериментальный стенд для исследования макрошероховатых дорожных покрытий, отличающийся использованием современных средств фото- и видеомониторинга, обработки информации и статистического анализа числовых рядов, позволяющие обосновать метод определения параметров макрошероховатости с помощью цифрового портативного микроскопа;

8) разработан новый метод устройства ШПО и тонких слоев износа, отличающийся применением новых композитных материалов и составов смесей, позволяющий предложить методику оценки качества работ с учетом новых методов технического нормирования.

Теоретическая значимость состоит в разработке и реализации принципиально нового комплексного подхода к оценке статистических инвариантов геометрии макрошероховатых дорожных покрытий. Адекватность теоретических решений подтверждается использованием строгого математического аппарата, а также сопоставлением рассчитанных характеристик с экспериментальными, которые получены в естественных условиях, в том числе другими учеными.

Практическая ценность результатов исследований состоит в разработке ОДМ «Устройство поверхностной обработки и тонких слоев износа с применением различных видов фиброволокон» и проекта ОДМ «Рекомендации по проектированию макрошероховатых дорожных покрытий». Оценивая типы макрошероховатости покрытия для практической целей достаточно определить шесть основных характеристик макрошероховатых структур: 1) среднюю глубину впадин (или высоту активных выступов); 2) средний шаг макрошероховатости; 3) степень плотности макрошероховатости; 4) степень активности поверхности элементов макрошероховатости; 5) разброс (дисперсию) высот активных выступов или впадин (разновысотность); 6) суммарная дисперсия глубин активных впадин (разноглубинность) и шага активных элементов (разнодлинность).

Рекомендации по проектированию макрошероховатых дорожных покрытий используют на стадиях проектирования при расчете параметров шероховатости дорожных покрытий в зависимости от реальных условий движения, при подборе необходимых типов покрытия и способа распределения дорожных материалов, качества и видов этих материалов, организации технологии и других работ, а также для контроля качества покрытия.

12

Практическая ценность также состоит в применении результатов данного научного исследования, в разработке следующих нормативнотехнических документов и НИОКР: 1) ГОСТ 32955–2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Лотки дорожные водоотводные. Технические требования»; 2) ГОСТ 32956–2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Лотки дорожные водоотводные. Методы контроля»; 3) ГОСТ 32957–2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Акустические экраны. Технические требования»; 4) ГОСТ 32958–2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Акустические экраны. Методы контроля»; 5) ОДМ «Рекомендации по применению водопропускных труб из полимерных композиционных материалов»; 6) Межгосударственный стандарт Таможенного союза «Дороги автомобильные общего пользования. Искусственные неровности»; 7) ОДМ «Рекомендации по проектированию макрошероховатых дорожных покрытий»; 8) ОДМ «Методические рекомендации по учету увеличения динамического воздействия нагрузки по мере накопления неровностей и определению коэффициента динамичности в зависимости от показателя ровности»; 9) ОДМ «Методические рекомендации по проектированию легких насыпей на слабых основаниях с применением легких геокомпозиционных материалов»; 10) НИОКР Федеральной целевой программмы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на тему «Разработка научных основ оценки и прогноза состояния цементных бетонов» совместно с БГТУ г. Минск; 11) НИОКР № 1004 по теме «Теоретическое исследование закономерностей и взаимодействия систем «основание-геоимплантат-сооружение» объектов автодорожной инфраструктуры»; 12) НИОКР Федерального дорожного агентства на тему «Совершенствование методов фрезерования дорожных покрытий на основе координатного замыкания рабочего органа автоматизированныхдорожныхфрез».

В основу работы положены результаты научных исследований покрытий автомобильных дорог, выполненных авторами в 1996–2016 годах с помощью предприятий ФГУП «РОСДОРНИИ», ПУИЦ «ВОЛГОДОРТРАНС», ООО «Дефшов», ООО «ЛипецкНИЦстройпроект», ООО

«СКЗ-ПЛЮС», ООО «Ремонтно-строительное», ООО «Строительный комплекс Звездный», ООО «Урал-Тайзер», 2ПУ «Уралхиммонтаж» и др. в Пермском крае, в Липецкой, Саратовской, Новосибирской областях и других регионах страны.

Авторы выражают глубокую благодарность коллегам по научному направлению за совместное сотрудничество и консультации в работе, д.т.н., Ю.Э. Васильеву, к.т.н., А.В. Чванову, к.т.н., А.А. Сухову, к.т.н., М.Л. Ермакову.

13

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ, ПРОЕКТИРОВАНИЯ, УСТРОЙСТВА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАКРОШЕРОХОВАТОСТИ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ

1.1. Научно-технический обзор вопросов применения современных макрошероховатых дорожных покрытий

итехнологий по их устройству

Внастоящее время массово применяется шероховатая поверхностная обработка (ШПО) – технологический процесс по устройству макрошероховатого слоя с целью обеспечения шероховатости, износостойкости, водонепроницаемости и плотности покрытия. Известны технологии устройства макрошероховатости покрытий способами обработки поверхности – шелушение, пропиливание, рельефное уплотнение, формование, втапливание, поливка, устройство тонкого шероховатого по структуре слоя, литые эмульсионно-минеральные смеси, битумоминеральные смеси, полимерные битумоминеральные смеси, крупнозернистый асфальтобетон, резинобитумные смеси и т.п. [11, 29, 35, 51, 52, 54, 58, 69, 70, 80, 87, 108].

Самый известный способ получения шероховатости верхнего слоя дорожного покрытия – это устройство асфальтобетонного покрытия по типовой технологии с применением обрезиненных вальцов [87]. В настоящее время в России и за рубежом все чаще начали применять ще- беночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА) [55, 101]. Они обладают повышенными сцепными качествами и повышенной прочностью. Для отечественных условий существуют методические рекомендации для устройства верхнего слоя дорожного покрытия из ЩМА [14, 16, 61, 78, 109].

Регламентируемые СНиП 2.05.02–85 и ее актуализированной редакцией [96] условия применимости марок и типов асфальтобетона, минимальные коэффициенты яркости покрытий и сцепления для различных условий движения, а также предлагаемые СНиП 3.06.03–85 [95] величины норм ровности и параметры шероховатости поверхности покрытий дают возможность контролировать целый перечень их важнейших технико-эксплуатационных свойств.

14

Для уменьшения затрат на работы по устройству шероховатых дорожных покрытий и продления строительного сезона используют крупнозернистую асфальтобетонную смесь, обладающую разреженной структурой макрошероховатости [53, 56, 65, 67, 66, 69, 88].

Влияние применения макрошероховатых дорожных покрытий на изменение коэффициента сцепления (с учетом скорости движения транспортных средств) показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1. График коэффициента сцепления φ при различной шероховатости дорожного покрытия (при разной скорости V движения транспортных средств) по данным Ю.Н. Кузнецова [103])

Макрошероховатость дорожного покрытия также сильно влияет на изменение показателей безопасности движения, что также подтверждает актуальность настоящей темы исследований. Известно, что при улучшении качества сцепления колес с шероховатым покрытием снижается количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Например, на федеральных автомобильных дорогах в 2010 году произошло 2697 ДТП (вне населенных пунктов 76,5 %). В 29,5 % случаях это происходило из-за низких сцепных характеристик дорожного покрытия. Пример эффективности применения шероховатых поверхностных обработок представлен на рис. 1.2.

Существует большая группа типов поверхностных обработок с применением различных технологий для получения шероховатой по структуре поверхности. Наиболее отработанной является технология способом поливок, которая включает в себя раздельное последовательное нанесение на поверхность устраиваемого слоя вяжущего (битума) и каменного материала (щебня) [27, 57, 60, 68].

15

Известна также технология устройства ШПО с применением вспененного битума [3]. Другие методы устройства поверхностных слоев подробно описаны Л.А. Горелышевой [71].

Для проведения работ применяются нормативно-технические документы: инструкция по устройству ШПО, типовые технологические карты, пособие по устройству поверхностной обработки.

Пример макрошероховатого дорожного покрытия из гравия (разнопрочного и разноразмерного материала) представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Устройство макрошероховатых дорожных покрытий из гравия

Типовые примеры состояния эксплуатируемых макрошероховатых дорожных покрытий на сети федеральных и территориальных автомобильных дорог общего пользования приведены на рис. 1.4.

На рис. 1.4 видны дефекты, в том числе в виде участков сегрегации (неоднородного распределения щебня), а также поврежденности в виде выпотевания и областей вырванного щебня, неровных кромок. Зарегистрировано отсутствие плотного прилегания щебенок друг к другу.

Шероховатая поверхностная обработка применяется в том числе и в качестве профилактического слоя. Эти слои предохраняют другие конструктивные слои дорожной одежды от преждевременного разрушения и износа, так как они подвержены истиранию от движения транспорта.

Такой слой требует только периодического обновления для придания дорожной поверхности ее первоначальных свойств. Также этот шероховатый слой дорожного покрытия обеспечивает необходимое сцепление и хорошее дренирование воды с поверхности, что приводит к понижению уровня аквапланирования и препятствует образованию гололеда [4, 26, 44, 99].

17

Такое соединение обеспечивается конструкционной системой «дорожное покрытие – вяжущее – щебень». Каменный материал (щебень) должен быть надежно прикреплен к поверхности основания и связан между собой.

При устройстве ШПО должна быть сформирована стабильная во времени система «дорожное покрытие – вяжущее – щебень», расход вяжущего должен быть достаточным, для того чтобы каждая щебенка была погружена в битум до требуемого уровня и были заполнены все микротрещины, но не избыточным, это приведет к выпотеванию.

Должна быть обеспечена точная дозировка расхода каменного материала и вяжущего. Щебень должен быть чистым (рекомендуется – мытым), иметь необходимый размер и форму, количество его должно быть достаточным для создания нужной текстуры макрошероховатости, но не излишним. Материал щебня должен обладать требуемыми высокими физико-механическими свойствами: сопротивлением истиранию, морозостойкостью, прочностью и др.

Щебеночный массив вместе с вяжущим должен создавать устойчивый монолитный слой, поэтому форма каждой щебенки должна приближаться к кубической. Щебень с яйцевидной формой не может занять устойчивого положения с однородным распределением по поверхности дорожного покрытия. Плоский щебень лещадной формы хрупок и недостаточно плотно укладывается в покрытие [110].

При размерах щебенки 15–20 мм возникает высокий уровень шумов в салоне и вне машины, поэтому такой щебень не применяют на улично-дорожной сети городов.

Существует четыре основных варианта укладки ШПО, каждый из них используется в конкретной сфере применения (рис. 1.5) [48].

Однослойная ШПО с однократным распределением щебня и вяжущего применяется для устройства шероховатого слоя и/или слоя износа покрытия с достаточной прочностью. Это распространенный вид ШПО, рекомендуемый для всех видов дорожного движения. Такой вид ШПО устраивается из щебня фракциями 5–10 или 10–15 мм. Конструкцию можно отнести к макрошероховатой [57, 110].

Двойное распределение щебня при однослойной ШПО применяется на автомобильных дорогах, с интенсивным движением и высокой скоростью. Такое распределение щебня улучшает герметичность покрытия, распределение усилий от колес транспортных средств и устра-

19

няет мелкие деформации и неровности. Производится следующим образом: на нанесенный слой вяжущего распределяют фракцию крупного 10–15 мм или 15–20 мм щебня и прикатывают, далее рассыпается более мелкая фракция щебня 5–10 мм и ее уплотняют [57].

Рис. 1.5. Варианты ШПО (данные В.Н. Марышева)

Устройство двухслойной ШПО состоит из следующих этапов. Первый этап – устройство первого слоя; разлитый вяжущий и распределенный на нем щебень крупной фракции сразу же уплотняется. На втором этапе укладывают второй слой битума с мелкой фракцией щебня и все окончательно укатывают.

Двухслойная ШПО используется на дорожных одеждах с малой прочностью, с наличием ямочности, колейности, сетки трещин и при большой интенсивности автомобильного движения, т.е. тогда, когда нужно создать не только макрошероховатый и защитный слой, но и повысить прочность, ровность и улучшить сдвигоустойчивость [68].

«Сэндвичную» ШПО, типа «бутерброд», делают на дорожном покрытии путем россыпа щебня более крупных фракций, а затем распределяют битум и рассыпают сверху щебень мелких фракций и все это уплотняют. Получается слой со структурой, сравнимой с однослойной ШПО и двойной просыпкой щебня [105].

На практике реализуют два метода устройства ШПО: с раздельным

ис синхронным распределением материалов. Для последнего характерно синхронное, практически одновременное распределение вяжущего

ищебня [68].

20