Обзор с оценкой новинок последнего времени

Не так уж далеки те времена, когда важность и значимость операции уплотнения дорожно-строительных материалов понимал и по достоинству оценивал всего лишь узкий круг дорожных ученых и специалистов-практиков. Большинство же дорожников относилось к ней как дешевой (особо много не заработаешь на 2–3 % от сметной стоимости строительства дороги в целом) и по большей части вспомогательной операции.

Сегодня уже большинство причастных к сооружению дорожных объектов пришло к осознанию того, что уплотнение является если не основной или главной, то по крайней мере ключевой технологической операцией по своей значимости и влиянию на эффективность вкладываемых средств, на качество, надежность и долговечность всего дорожного сооружения.

Теперь никого из россиян не удивляет многочисленность (более двух десятков) фирм-производителей уплотняющей техники и широкое многообразие выпускаемых ими разного рода, типа и размера катков, трамбовок и виброплит. Причем многие из этих фирм, особенно те из них, кого можно причислить к законодателям высокотехнологических разработок (Bomag, Caterpillar, Dynapac, Hamm, Ingersoll-Rand и др.) и к основным поставщикам уплотняющей техники на мировой рынок, непрерывно совершенствуют свою продукцию, обновляя ежегодно до 30–40 % выпускаемых моделей машин и установок.

Некоторые из таких усовершенствований порой носят косметический характер, другие улучшают условия пребывания и работы машиниста в кабине катка, третьи облегчают и упрощают сам рабочий процесс уплотнения (например, прозрачная часть пола в кабине для наблюдения за поверхностью вальца во время укатки горячего асфальтобетона; подсветка боковых кромок вальца при работе катка вдоль бордюра или подпорных стенок в темное время суток; поворотные и поднимающиеся выше кабины для улучшения обзорности машиниста и т.д., и т.п.).

Рис. 1. Виброкаток BW225 В-3 BVC
фирмы Bomag для эффективного уплотнения
связных и других разновидностей грунтов

Однако периодически появляются и более серьезные новинки функционально-технологического характера, направленные на повышение качества и производительности операции уплотнения тех или иных материалов. Такие разработки заслуживают не только особого внимания дорожников, но и всестороннего анализа и оценки их полезности, эффективности и возможности использования в российских условиях.

Автору довелось побывать на двух последних крупнейших мировых выставках строительных и дорожных машин и оборудования в немецком Мюнхене (2004 г.) и американском Лас-Вегасе (2005 г.) и познакомиться с рядом «умных», интересных и полезных новых разработок, предназначенных для уплотнения грунтов, щебеночных материалов и асфальтобетонных смесей.

Как и положено при строительстве автомобильной дороги, логично начать с новинок для уплотнения грунтов земляного полотна. Фирма Bomag (Германия) создала для этих целей оригинальный крупный виброкаток BW225 D-3 BVC (Bomag VarioControl) с многогранной поверхностью вальца (рис. 1, 2). Последний имеет три, очевидно, сваренных в единый широкий валец восьмисегментных или восьмигранных кольца, которые смещены (повернуты) относительно друг друга на половину длины одного сегмента. В результате на вальце катка находится 24 ровных (плоских) площадки с гранями. При качении такого вальца статические и динамические воздействия на грунт передаются площадками и гранями [1].

Рис. 2. Сегментный валец нового виброкатка
BW225 D-3 BVC фирмы Bomag

В мировой дорожной практике уже были подобные сегментные статические катки, на гладкой поверхности вальцов которых шарнирно крепились отдельные плоские площадки (сегменты), передававшие силу веса катка уплотняемому грунту. Таким способом пытались увеличить незначительную толщину слоя, уплотняемого гладковальцовым катком, и снизить чрезмерную сдвиговую волну на поверхности укатки. Как известно, по этим причинам гладковальцовые статические катки практически не используются на уплотнении грунтов земляного полотна.

В связи с новинкой фирмы Bomag полезно вспомнить и давнишний трамбующий каток с квадратным вальцом из Южной Африки (рис. 3), который при перекатывании с грани на грань опрокидывался на большую плоскую площадку, производя всей своей массой ударное нагружение грунта с хорошим результатом уплотнения.

Рис. 3. Формы рабочей поверхности
вальцов грунтоуплотняющих катков:
1 – обычная цилиндрическая;
2 – восьмисегментная или восьмигранная
(фирма Bomag);
3 – квадратная (Южная Африка)

Производственное использование одновальцового грунтового виброкатка BW225 D-3 BVC с многогранной или сегментной формой поверхности вальца осуществлялось на трех объектах в Германии при возведении насыпей из различных типов и состояний грунтов, включая связные глинистые и скальноподобные мергелисто-сланцевые – на подъездной железной дороге к аэропорту, автомобильной дороге А38 и крупной промышленной площадке (объем грунта 450 тыс. м³).

В частности, на строительстве автомобильной дороги, для которой требования к качеству уплотнения грунтов наиболее жесткие в Германии (степень уплотнения по Проктору не ниже 97 %, а несущая способность земляного полотна при штамповых динамических испытаниях не менее 45 МН/м²), были получены удивительные результаты. На связном глинистом грунте степень уплотнения 98,2 % была зафиксирована на глубине около 1,0 м. Причем для этого потребовалось всего 4–5 проходов этого катка с новой формой вальца.

Разработчики новинки объясняют достигнутый эффективный или даже эффектный результат, которого никто в мире еще не получал при использовании катков на глинистых грунтах, различием в контактной передаче динамических давлений вальца такого катка уплотняемому грунту. При большей площади контакта плоского сегмента этого вальца с поверхностью укатки «луковица» (термин из механики грунтов) давлений в грунте заметно больше, чем под цилиндрическим вальцом (рис. 4).

Рис. 4. «Луковица» давлений в грунте
под цилиндрическим и сегментным вальцами

Действительно, в механике грунтов есть такое понятие как «глубина активной зоны» h_a, в которой реализуется до 85 % появившейся на поверхности грунтового основания деформации или осадки, а остальные примерно 15 % приходятся на слои грунта, расположенные ниже глубины этой активной зоны вплоть до (3,5–4,0) d_ш или b_о, где d_ш (или b_о) – диаметр (или меньшая сторона) подошвы штампа или рабочего органа уплотняющей машины (основание виброплиты или вибротрамбовки, шина, валец гладкий, кулачковый, решетчатый, сегментный, ребристый, подошва трамбующей плиты).

В теории и технологии уплотнения различных дорожно-строительных материалов практическим путем получены универсальные результаты и зависимости, отраженные на графике рис. 5. Из него следует, что предельная толщина грунта или иного материала, прорабатываемого до требуемой степени уплотнения, или предельная глубина активной зоны h_a зависит в основном от трех факторов – характера нагрузки (статическая, вибрационная или, точнее, виброударная, чисто ударная), размера контактной площадки (d_ш или b_о), передающей усилия уплотнения грунту, и, наконец, от соотношения контактных давлений рабочего органа уплотняющей машины или устройства и предела прочности на сжатие уплотняемого грунта.

Правда, есть еще четвертый фактор влияния – количество циклов нагружения уплотняющей нагрузкой. Как правило, практически полная реализация потенциальных возможностей катка повышать плотность материала происходит примерно за 8–10 проходов при условии, что его давления будут близки прочностным показателям материала. При снижении контактных давлений катка количество потребных его проходов прогрессивно возрастает с одновременным снижением глубины проработки, т.е. нехватку силовых воздействий можно лишь частично компенсировать количеством проходов или циклов нагружения. А это не всегда технологически доступно и экономически выгодно, как например, при уплотнении горячих асфальтобетонных смесей.

Рис. 5. Зависимость глубины активной зоны h_a в относительных единицах (толщина уплотняемого слоя) от контактных давлений в относительных единицах и характера уплотняющих нагрузок

Из приведенного графика следует, что даже при большой контактной площадке с малым контактным давлением можно получить незначительную глубину требуемого уплотнения. И наоборот, тот же не очень удовлетворительный результат будет при малой контактной площадке и высоком давлении. И уж совсем плохим он окажется при малой контактной площадке и низком давлении, так как в этом случае сработает известный эффект вытоптанной пешеходами дорожки на лужайке парка или на городском газоне.

Разработчики виброкатка BW225 D-3 BVC с сегментной поверхностью вальца, видимо, вольно или невольно использовали научные наработки для решения актуальной практической задачи и нашли удачное сочетание размера подошвы сегмента (очевидно около 600–700 мм) и высоких контактных динамических давлений вальца, воплотив старую идею в новое исполнение.

При весе вибровальцового модуля этого катка 17,6 т и центробежной силе 40,2 тс максимальные контактные его давления на грунт должны ориентировочно составить около 9–10 (грунт рыхлый) и 15–16 кгс/см² (плотный), что вполне приемлемо для высококачественного уплотнения связного грунта и на достаточно солидную глубину.

Вообще же все до сих пор известные типы и разновидности дорожных грунтовых катков, при создании которых решались отдельные или комплексные задачи по повышению качества и толщины слоя уплотнения за счет увеличения силового давления и размеров контактной площадки с одновременным снижением сдвиговых смещений (волн) приповерхностной зоны укатки, наиболее характерных для тяжелых катков с гладкими вальцами, можно выстроить в один логический ряд с учетом последовательности их появления:

• гладковальцовый статический;
• кулачковый (sheep foot) статический
• кулачковый (pad foot) статический, в том числе фирм Caterpillar, Bomag и Dynapac, с трамбующим эффектом (за счет скоростной укатки);
• сегментный статический;
• решетчатый статический;
• ребристый статический;
• гладковальцовый вибрационный (точнее, вибро- или частоударный);
• кулачковый (pad foot) вибрационный;
• сегментный или многогранный (многоплощадочный) вибрационный фирмы Bomag;
• трамбующий с квадратным вальцом (Южная Африка).

Не исключено появление в этом ряду в соответствии с упомянутыми принципами и логикой и других новых разработок. Тем более, что большинство фирм находится в постоянном поиске, стремясь придать своим грунтоуплотняющим каткам больше технологической универсальности, повысить качественную сторону их работы путем более широкого регулирования уплотняющих воздействий, в том числе в автоматическом режиме, оснастить специальными устройствами и даже системами контроля качества уплотнения грунта.

Такие поиски приводят к некоторой модернизации существующих моделей грунтовых виброкатков, сводящейся к незначительному изменению их веса, повышению амплитуды и уточнению частоты колебаний вальца, разные сочетания которых дают в конечном итоге самое главное для уплотняющей способности виброкатка – амплитудное значение центробежной силы и ее качественную характеристику («острая» или «тупая», быстродействующая или вялодействующая вибросила).

следующая страница >>