УДК 625.075(6)

Автомобильно-дорожный институт ГВУЗ ДонНТУ

 

к.т.н. Герасименко В.Г., Дереза Е.В., Нечепорук А.А.

 

ОСОБЕННОСТИ ВИБРОУКАТКИ В СЛОЖНЫХ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЯХ

 

При строительстве экспериментальных участков в осенне-зимнее время было установлено, что практическая скорость охлаждения верхнего слоя из многощебенистой смеси при виброуплотнении составляла (табл. 1).

Таблица 1 - Значение критической скорости охлаждения

Марка битума

Тип смеси

Размер зерен

Минимальная температура воздуха, °С

-30

-25

-20

-10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

БНД 40/60

А

крупнозерн.

6,10

4,55

2,13

 

1,46

мелкозерн.

3,17

2,34

1,76

1,55

1,34

БВД 60/90

А

крупнозерн.

7,44

6,18

5,34

9,21

2,19

мелкозерн.

3,95

3,01

2,76

1,98

 

БНД 130/200

А

крупнозерн.

 

7,22

6,74

5,12

 

мелкозерн.

4,16

3,76

3,18

2,88

2,11

БНД 200/300

А

крупнозерн.

 

 

 

6,23

4,27

мелкозерн.

4,56

4,11

3,57

3,12

3,01

 

При понижении температуры воздуха с -5...-30°С скорость падения температуры крупнозернистой смеси типа А составляло с 1,45 до 6,10 град/мин, т. е. в течение 25 минут смесь остывает полностью, переходя из вязкого в упругое состояние.

Но при увеличении толщины слоя происходит резкое замедление скорости охлаждения смеси.

В осенне-зимний период температура низа уплотняемого слоя, как правило, всегда выше, чем на поверхности и эта разность (в 3-6°С) зависит в основном от термофизических характеристик асфальтобетона, толщины укладываемого слоя и скорости ветра.

Опыты показали, что равновесная скорость охлаждения, при которой невозможно возникновение критического напряженного состояния в недоуплотненной многощебенистой смеси составляет 0,5-0,7 град/ч в летнее время и 1,35-1,57 град/ч в осенне-зимнее время при содержании битума до 5%.

Кроме того, исследования показали, что если критическая скорость охлаждения постепенно гасится по глубине слоя, то трещин может не образоваться. Все будет зависеть от того, на какой глубине скорость охлаждения уменьшается до безопасной. Если это будет на глубине равной половине или меньше половины толщины уплотняемой смеси и скорость охлаждения снизится до безопасного уровня, то трещин на покрытии после укатки не будет. Это положение гарантировано только при условии уплотнения до Ку = 0,99...1,02 виброкатком в течение 12-15 мин, если температура воздуха около -10°С. На скорость охлаждения укатываемой смеси влияет и состояние, и тип основания.

Таблица 2 - Требуемая толщина верхнего слоя асфальтобетона на данном основании

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Марка битума

Тип

смеси

Размер зерен

Шлаковое основание

Щебеночное основание

температура воздуха, °С

10

-5

-10

-15

-20

10

-5

-10

-15

-20

скорость охлаждения смеси, град/мин

1

4

7

10

12

1

41

7

 

12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

БНД 40/60

А

к/зерн.

4,5

5,5

6,0

6,5

7,5

5

5,0

6,5

7,0

7,0

м/зерн.

4

4,5

5,0

5,5

5,0

4,5

5,0

5,5

 

6,0

Б, В

к/зерн

4,5

6,0

6,5

7,5

8,5

5,0

6,0

7,0

3,0

9д)

м/зерн.

4,0

5,0

5,5

6,0

7,0

4,5

5,5

6,0

7,0

7,6

БНД 60/90

А

к/зерн.

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

4,5

5,0

5,4

6,1

7,0

 

 

Продолжение табл. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

 

 

 

м/зерн.

4,0

4,5

4,8

5,2

5,8

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

Б, В

к/зерн.

4,5

5,2

6,0

6,5

7,0

4,5

5,2

6,0

6,5

7,2

 

м/зерн.

4,0

4,3

5,2

6,0

6,3

4,0

4,3

5,2

6,0

6

БНД 90/130

А

к/зерн.

4,5

4,8

5,2

5,6

6,2

4,5

4,8

5,1

5,8

6,2

 

м/зерн.

4,0

4,0

4,5

5,0

5,6

4,0

4,3

4,8

5,0

5,5

Б, В

к/зерн.

4,5

5,0

5,5

6,0

6,7

4,5

4,7

5,3

6,0

6,4

 

м/зерн.

4,0

4,5

5,0

5,5

6,1

4,0

4,5

5,0

5,5

5,7

БНД130/200

А

к/зерн.

4,5

4,7

5,0

5,4

6,0

4,5

5,0

5,0

 

 

 

м/зерн.

4,0

4,2

4,5

4,8

5,2

40

4,2

4,4

4,6

5,

5,8

к/зерн.

4,5

4,8

5,0

5,5

6,0

4,5

4,7

5,0

5,58

6,6

 

м/зерн.

4,0

4,3

4,5

5,0

5,4

4,0

4,3

4,7

5,0

5,2

 

Из полученных данных видно, что на битуме БНД 40/60 состав асфальтобетона охлаждается быстрее ввиду того, что кристаллизация вязких битумов происходит в более короткие сроки, и поэтому требуется наибольшая толщина слоя из-за того чтобы уменьшить температурные напряжения при виброукатке. Шлак, как наилучший изолятор быстро набирает температуру от подогретого слоя, а затем отдает ее в процессе укатки, поэтому верхний слой на шлаке можно устраивать меньше на 5...10 мм. Битумы с более высокой пинетрацией БНД 130/200 остывают медленнее, процессы кристаллизации идут параллельно с остыванием всего слоя, поэтому толщина верхнего слоя покрытия практически остается постоянной. Технологически, для сохранения требуемой температуры в слое требуется увеличение толщины покрытия, как показали эксперименты, но чтобы это избежать, необходимо увеличение темпов уплотнения с максимальной частотой вибровальцов (100...150 Гц).

Резкое увеличение толщины слоя при битумах БНД 40/60 говорит о том, что для данных климатических условий его применять нецелесообразно, особенно в условиях движения тяжелого транспорта.

Сравнивая физико-механические свойства многощебенистых смесей после уплотнения обычными катками и катками с вибраторами после испытания в лаборатории были получены следующие показатели (табл. 3) соответствующие ГОСТ 9128-84 для покрытий, которые уплотнялись виброкатками.

Таблица 3 - Физико-механические свойства смесей при уплотнении

Свойства асфальтобетона

Уплотнение обычными катками

Уплотнение виброкатками ДУ-25А

Пористость минерального остова, %

24

7

Остаточная пористость, % от объема

9,65

2,98

Водонасыщение по объему, %

6,13

3,44

Набухание по объему, %

0,64

0,22

Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре:

 

 

+50°С

1,13

1,31

0°С

11,4

12,1

Содержание битума, % от массы асфальтобетонной смеси

5,2

4,2

 

Исследования показали (табл. 3), что пористость минерального остова и остаточная пористость резко отличаются друг от друга при уплотнении катками разных типов, и только вибрация может доводить до требуемых параметров горячие асфальтобетонные смеси с процентом содержания щебня до 70-80, в условиях жаркого климата и экономии органических вяжущих материалов. Недоуплотнение многощебенистых смесей в условиях низких температур приводит к увеличению набухания смеси в весеннее и осеннее время и разрушению покрытия под действием движущегося транспорта.

Устройство слоистой системы из горячих смесей часто приводит к сдвижке одного слоя по поверхности другого из-за слабого сцепления. Это наблюдается в местах интенсивного торможения транспорта, на спусках и подъемах, трамвайных и железнодорожных переездах, в местах остановок транспорта.

Виброукатка горячего слоя асфальтобетона, уложенного на остывший слой крупнозернистой битумоминеральной смеси способствует образованию обогащенной прослойки из битумоминеральной пасты, которая при нагревании горячим слоем до температуры 30...40°С "склеивает" слои в единый монолит.

Технологически виброукатку необходимо начинать через 5-7 мин. после укладки верхнего слоя из-за того, чтобы нижний слой достаточно прогрелся, миграция битума была максимальной. Катки заходят со стороны остывшего слоя и первый проход делают без включенных вибраторов, затем катки делают 3-4 прохода с вибровоздействием на поверхность покрытия и частотой 20...150Гц, при этом, увеличивая скорость уплотнителя с каждым проходом с 1 до 3,5 км/ч. При увеличении частоты воздействия нагрузки до 100 Гц влияние вязкости битумов БНД 40/60 и 60/90 сказывается одинаково на повышении допускаемых напряжений при изгибе, как в уплотняемой горячей плотной асфальтобетонной смеси, так и а нижнем слое остывшего пористого асфальтобетона (табл. 4).

Таблица 4 - Изменение свойств смесей при виброуплотнении

 

Свойства смесей

Показатели свойств смесей при частоте вибрации, Гц

10

30

50

70

90

110

150

1

2

3

4

5

6

7

8

Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре:

 

 

 

 

 

 

 

50°С

0,81

0,83

0,8о

0,87

0,89

0,93

0,97

40°С

0,98

0,99

1,0

1,03

1,08

 

 

30°С

1,04

1,09

1,12

1,18

1,26

1,34

1,65

20°С

1,61

1,73

1,77

1,89

1,93

1,99

2,26

10°С

1,92

2,14

2,29

2,34

2,49

2,86

3,12

Предел прочности при изгибе, МПа при температуре:

 

 

 

 

 

 

 

+20°С

2,80

2,84

 

3,02

3,24

3,51

3,62

+10°С

3,1

 

3,76

3,32

3,36

3,94

4,13

0°С

 

4,14

4,36

4,58

4,72

4,95

4,99

-5°С

4,82

4,97

5,13

5,26

5,33

5,36

 

 

 

Продолжение табл. 4

1

2

3

4

5

6

7

8

Модуль упругости при изгибе, МПа при температуре:

 

 

 

 

 

 

 

+20°С

981

996

1032

1076

1103

1143

1192

+10°С

1145

1130

1192

1243

1286

1382

1590

0°С

2117

2152

2196

2333

 

2376

2532

-5°С

3370

3412

3510

3560

3670

3790

4120

 

Если в верхних слоях асфальтобетонной смеси использовались битумы БНД 40/60, а в нижних пористых - БНД 60/90, то напряжение в этих слоях будет одинаковыми при частоте приложения нагрузок от 50 до 100 Гц, При увеличении частоты вибратора до 150...200 Гц напряжение в верхнем слое будет выше в 1,5...1,7 раза, что может вызвать расслоение в местах обильной миграции битума и выход его через микропоры наружу (табл. 5).

Таблица 5 - Свойства асфальтобетонной смеси при уплотнении

Показатели

Свойства смеси при уплотнении обычными катками

Свойства смеси при уплотнении виброкатками

БНД 40/60

БНД60/90

БНД40/60

БНД60/90

Предел прочности при сжатии МПа, при:

30°С

1,37

1,29

1,86

 

20°С

1,48

1,36

2,38

1,91

10°С

2,54

2,01

3,49

2,76

Предел прочности при изгибе МПа, при:

10°С

3,88

3,04

4,86

3,99

0°С

4,61

4,36

5,92

5,21

-5°С

6,56

5,07

7,76

6,64

Модуль упругости при изгибе, МПа, частоте 50 Гц и температуре:

10°С

1480

1310

1460

1290

0°С

2250 3040

2070 2520

2790

2060 2510

-15°С

3800

3610

3600

3200

Эти результаты свидетельствуют о том, что в интервале температур от 10 до 30°С, при которых работают дорожные организации IV и V климатических зон летом, прочность при сжатии уплотненных асфальтобетонных плотных смесей виброкатком на 3-4,5% больше прочности смесей тех же составов, уплотненных обычными жесткобарабанными катками без виброустановок.

Модуль упругости уплотненных виброкатками горячих многощебенистых смесей при -5°С на 5-7% меньше по сравнению со смесями уплотненных обычными жесткобарабанными катками, что свидетельствует о большей трещиностойкости слоев дорожной одежды из горячего асфальтобетона при виброукатке из-за увеличения плотности смеси и равномерного распределения битума в составе применяемого асфальтобетона.