Нет особой нужды доказывать техническую и экономическую важность и потребность высококачественного уплотнения асфальтобетонных смесей при строительстве, реконструкции или ремонте покрытий автомобильных дорог. 

Применяемые сейчас передовые технологии и современные средства укладки и уплотнения горячих смесей позволяют дорожнику достаточно успешно и быстро справляться с этой сложной задачей в большинстве практических случаев, достигая высоких показателей ровности и плотности покрытия.

Если средний коэффициент уплотнения (К_у) у трети образцов асфальтобетона, отбиравшихся из верхних слоев покрытий проспектов и улиц Санкт-Петербурга в течение пяти лет, предшествующих распаду СССР, был ниже нормативного (0,98–0,99), то теперь брак уплотнения редко превышает 3–5%.

Дорожники ряда фирм Санкт-Петербурга и Ленинградской области (ВАД, Дорстройпроект и др.) стабильно добиваются положительных результатов в устройстве асфальтобетонных покрытий благодаря использованию таких эффективных и современных средств как перегрузчик смеси SB2500 фирмы Roadtec (США), укладчики фирм Dynapac (Швеция), Demag, Vogele и ABG (ФРГ), статические и вибрационные модели гладковальцовых, пневмоколесных и комбинированных катков немецких фирм Bomag (BW154AD) и Hamm (HD85, GRW15), шведской Dynapac (CC142C, CC211, CC232, CC422), американских Jngersoll-Rand (DD90HF) и Clark (TS80, TV20), российской Раскат (ДУ-93).

И, тем не менее, брак по качеству уплотнения и ровности покрытия тоже иногда бывает, хотя по объему он и невелик. Такое происходит чаще всего при устройстве тонких (2–3 см) выравнивающих слоев, в некоторых случаях при укладке обычных слоев (5–6 см) из пластичных песчаных смесей, при уплотнении более толстых (9–10 см) нижних слоев покрытий из крупнозернистых пористых смесей и в некоторых других, даже казалось бы стандартных случаях.

Одной из главных причин возникающего брака, если исключить элементарные технологические упущения, ошибки и нарушения, является само орудие выполнения операции уплотнения, т. е. функциональное несовершенство катка, в том числе современного вибрационного.

Никто на бытовом уровне не забивает мелкие и тонкие гвозди кувалдой или, наоборот, шпальные железнодорожные костыли легких домашним молотком.

А вот дорожный подрядчик фактически вынужден чуть ли не одним и тем же имеющимся у него катком вести уплотнение тонкого (2–3 см), среднего (5–7 см) и толстого (10–12 см) слоя асфальтобетона. Анализ же и расчеты, основанные на учете прочностных и деформативных свойств горячей смеси и других особенностей взаимодействия статического и вибрационного вальца с уплотняемой поверхностью таких слоев, показывают, что виброкаток, например, с вальцами 1680х1200 мм (ширина х диаметр) при укатке мелкозернистого щебенистого асфальтобетона должен иметь вес в первом случае около 6,5–7,0, во втором – 8,5 и в третьем – 10,5 т, а центробежную силу вибровозбудителя соответственно в пределах 4,5–4,7; 6–6,2 и 7,5–7,7 тс. При этом, при одинаковой частоте колебаний вальца, скорость укатки должна быть минимальной на тонком слое, а на толстом – максимально возможной.

Если к этому добавить различие в стартовой плотности горячей смеси после укладчика (коэффициент уплотнения от 0,83÷0,86 до 0,95÷0,97), в составах и типах смесей по гранулометрии (более пластичные песчаные и малощебенистые, более прочные и жесткие многощебенистые), в вязкости используемых битумов, в том числе модифицированных полимерами, прочности и жесткости нижележащих оснований, в технологических стадиях уплотнения (предварительная, основная, заключительная) и погодных условиях ведения работ (весна, лето, осень), то становится совершенно очевидной невозможность обеспечить одним–двумя наличными статическими или вибрационными катками выполнение такого многообразия практических видов и условий работ без широкого регулирования уплотняющих воздействий. Не приобретать же дорожнику на каждый случай отдельный каток.

Нельзя упрекнуть фирмы, создающие дорожные катки, что они игнорируют такую потребность дорожной практики и не предусматривают на своих образцах возможность варьирования силовых нагружений. Однако сами принципы регулирования, основанные на изменении только центробежной силы путем задания нескольких значений (чаще всего двух, хотя есть и больше) амплитуд и частот колебаний вальца, дают не всегда обоснованный крупный или очень мелкий шаг и диапазон регулирования создаваемых усилий и поэтому не могут охватить перечисленные варианты потребных видов и условий работ.

Очевидно наступила пора их осмысления и пересмотра с учетом изменений самого механизма деформирования материала при том или ином способе регулирования и с определением четко обоснованных границ значений создаваемых уплотняющих усилий. Порой ведь виброкатки одной и той же фирмы, да еще равного веса, обладают заметно отличающейся уплотняющей способностью, что свидетельствует об их целенаправленном и зачастую не очень широко задуманном практическом предназначении. Это, помимо всего прочего, может вводить в некоторое заблуждение дорожника и не давать ему необходимых общих ориентиров и критериев выбора и использования наиболее универсальных и эффективных образцов катков.

Иногда создается ощущение, что в одних случаях неудач с уплотнением или даже брака имеющиеся катки совершают чрезмерное «насилие» над уплотняемым материалом, в других – явно недостаточное. Если сопоставлять прочностные и деформативные свойства материала с нагрузками катков, то это ощущение перерастает в определенное убеждение и понимание необходимости улучшения их функциональных параметров и технологических приемов практического применения.

Рис. 1. Результаты испытания асфальтобетонных образцов в приборе 3-основного сжатия – стабилометре (по проф. Пермякову В. Б.).

Деформирование уплотняемого асфальтобетона, как, впрочем и других дорожных материалов (грунт, щебень и т. п.), например, в приборе 3-осного сжатия (стабилометре) или по схеме вдавливания штампа в полупространство показывает, что на графике давление-деформация (рис. 1) можно выделить две зоны, в одной из которых (от 0 до точки А) рост осадки образца происходит линейно и пропорционально росту давления, т. е. с изменением его объема за счет более плотной упаковки частиц.

В другой зоне (между точками А–В) развитие осадки идет как за счет уплотнения, так и вследствие изменения формы образца, обусловленного появлением пластических сдвигов, выпоров, трещин и тому подобного брака, т. е. во второй зоне происходит одновременное уплотнение и разуплотнение асфальтобетона. Чем ближе контактное давление вальца σ_o к пределу прочности или разрушения σ_p (точка В), тем опаснее воздействие катка и тем меньше его функциональный коэффициент полезного действия.

Если при уплотнении грунтов в земляном полотне возникновение небольших подобных пластических зон вблизи поверхности можно допустить, то при устройстве асфальтобетонных покрытий должны быть исключены любые проявления дефектов и брака.

Очевидно наиболее оптимальным и эффективным будет случай уплотнения асфальтобетона, когда контактные давления вальца уо будут близки или равны так называемому критическому напряжению σ_кр, разделяющему указанные зоны. По предварительным экспериментальным данным, в том числе показанным на графике рис.1, при уплотнении горячих смесей можно в среднем принять σ_кр = 0,70 σ_p, причем для рыхлого состояния около (0,65–0,70) σ_p, а для плотного – примерно (0,70–0,75) σ_p.

Рис. 2. Зависимость потребного количества циклов нагружения от соотношения контактных давлений катка и прочности асфальтобетонной смеси.

Длительное время дорожная отрасль и отраслевое машиностроение России и других стран были ориентированы на создание катками контактных давлений, близких к σ_p (не менее 90%) и достигающих к концу уплотнения 30–35 кгс/см². Поэтому многие образцы статического и вибрационного типа оказывались излишне тяжелыми или динамичными, а качество уплотнения асфальтобетонных покрытий – нередко низким.

Правда, такое неблагоприятное отношение σ_o/σ_p может несколько выправлять то обстоятельство, что горячая смесь остывает и упрочняется, смещая σ_кр ближе к создаваемым катком σ_o, но само σ_o при этом тоже несколько возрастает, особенно у виброкатков, и желаемое улучшение σ_o/σ_p происходит не так эффективно и быстро.

К тому же полезная часть укатки при подобных изменениях будет идти уже при более низких температурах смеси, что, как известно, чревато потерями конечного качества по плотности. Да и потребное количество циклов статического или динамического нагружения катка по одной и той же уплотняемой точке или месту n_ц может оказаться увеличенным и составлять не мене 50–70 (рис. 2). При давлениях катка, близких или равных σ_кр, количество n_ц может понизиться на 30–35%.

Существует другая опасность, связанная с недостаточными контактными давлениями вальцов катка и обуславливающая вполне понятные снижения плотности асфальтобетонной смеси и толщины прорабатываемого слоя Z (рис. 3), а также рост необходимого количества n_ц (см. рис. 2).

Рис. 3. Влияние отношения контактных давлений вальца катка и прочности материала на толщину прорабатываемого слоя уплотняемого материала.

При очень малых давлениях вполне закономерна незначительная толщина проработки с низкой плотностью, т. е. реализуется эффект «вытоптанной пешеходами дорожки на поляне парка», что, кстати, подтверждают реальные результаты работы некоторых чрезмерно легких виброплит и виброкатков, несмотря на то, что, например, у виброплит суммарное (за 8–10 проходов по месту) количество прикладываемых к поверхности материала n_ц достигает иногда 1500–2000 и даже больше.

На основе длительного изучения и исследования проблем и вопросов уплотнения дорожно-строительных материалов, в том числе асфальтобетонных смесей, сопоставления функциональных параметров различных типов катков и сравнительного анализа многих положительных и отрицательных результатов по плотности сделана попытка раскрыть «секреты» практических успехов и неудач в уплотнении асфальтобетона, найти пути и способы возможного улучшения функциональных и технологических параметров катков.

Итогом таких размышлений, анализов и обобщений и стали настоящие заметки, предложения и рекомендации не только дорожникам, но и специалистам фирм, создающим дорожные катки.

СОДЕРЖАНИЕ:

УПЛОТНЕНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОНА

 - Общее силовое воздействие

 - Контактные давления

 - Пригруз

 - Регулирование силового воздействия

Автор: Костельов М. П.

к.т.н., главный технолог ЗАО «ВАД» (г. Санкт-Петербург)

Ссылка: http://library.stroit.ru/articles/asfalt2/index.html