CC BY
133
УДК 625.74
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
© С.С. Шабуров1, С.А. Пилипяк2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены данные экспериментального исследования и анализ геосинтетических материалов в строительстве и ремонте дорожных одежд на территории Иркутской области. Даны сравнительная характеристика геосинтетических материалов и классификация эффективности армирования. Представлена технология использования материалов на экспериментальном участке. Проведенные исследования и полученные данные позволяют утверждать, что технология армирования успешно развивается. Ил. 5. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: автомобильная дорога; геосентетический материал; деформации; армирование.
USING GEOSYNTHETIC MATERIALS IN ROAD PAVEMENT CONSTRUCTION S.S. Shaburov, S.A. Pilipyak
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper presents the data of experimental studies and the analysis of geosynthetic materials in the construction and repair of road pavements in the Irkutsk region. It gives a comparative characteristic of geosynthetic materials, classifies reinforcement effectiveness as well as provides a technology of using materials on an experimental site. Undertaken researches and the data obtained prove the successive development of the reinforcement technology. 5 figures. 5 sources.
Key words: automobile road; geosynthetic material; deformations; reinforcement.
1Шабуров Сергей Семенович, профессор кафедры автомобильных дорог, тел. 89025135889, e-mail: sssl 941 @yandex.ru Shaburov Sergey, Professor of the Department of Automobile Roads, tel.: 89025135889, e-mail: sss1941@yandex.ru 2Пилипяк Сергей Александрович, магистрант, тел.: 89501403432, e-mail: serega-t06@mail.ru Pilipyak Sergey, Graduate Student, tel.: 89501403432, e-mail: serega-t06@mail.ru
106
ВЕСТНИК ИрГТУ №5 (76) 2013
В России в связи с постоянно растущей интенсивностью транспортного потока (на некоторых участках она достигает 45-50 тыс. автомобилей в сутки при расчётной норме 6 тыс. ед.) несущая способность дорожных одежд многих автомобильных дорог исчерпана. Отсюда возникает необходимость в частых ремонтах, которые становятся всё более дорогостоящими, а хроническое недофинансирование дорожной отрасли в течение последних лет привело к критическому состоянию автомобильных дорог страны.
Для движения автомобилей с большой скоростью необходимо, чтобы ровность покрытий оставалась неизменной в течение всего периода эксплуатации дороги. Это может быть достигнуто только при устойчивом и прочном асфальтобетонном покрытии. Под прочностью покрытия понимается его способность сохранять, не деформируясь под воздействием внешних сил и природных факторов, приданные ему при строительстве форму и размеры, под устойчивостью -сохранение предусмотренного проектом положения в пространстве без смещений и просадок. Но каким бы качественным ни было асфальтное покрытие, с течением времени оно нуждается в ремонте. Очень часто замена покрытий требуется в результате долгой эксплуатации, когда дорожное полотно просто изнашивается.
Таким образом, перед дорожными службами стоит задача сокращения объёмов работ по техобслуживанию при сохранении высокого качества дорог. Чтобы избежать повышенных затрат на ремонт и восстановление дорожных одежд и увеличить сроки их службы, проводятся различные исследования, в том числе по предотвращению появления трещин как наиболее часто встречающихся дефектов.
Основные виды деформаций и разрушений
Дорожная одежда - это твёрдая монолитная конструкция, от прочности верхнего слоя которой зависит многое, поскольку он распределяет нагрузку от проходящего транспорта на большую площадь. Однако воздействие погодно-климатических факторов и нагрузки от транспорта ухудшает основные эксплуатационные показатели дороги - ровность и сцепные свойства покрытия проезжей части, прочность дорожной конструкции в целом. Следствием этого является целый ряд различных дефектов конструкции - выбоины, трещины, просадка, проломы, волны, сдвиги, колей-ность на поверхности покрытия.
Чтобы выполнять свои функции (защищать конструкцию полотна от нагрузки и погодных факторов), покрытие должно быть сплошным и не иметь трещин. В противном случае влага будет проникать в основание дороги и снижать прочность всей конструкции. Вода является основным разрушающим фактором: при переувлажнении грунта под воздействием нагрузок от проходящего транспорта происходит вдавливание и проседание щебня в мягкий слой дорожной конструкции. Основание дороги начинает напоминать пористую губку, впитывая всё большее количество влаги. Появляются провалы и лужи, происходит растрескивание различных слоёв дорожного полотна. Трещины будут увеличиваться, превращаясь в выбои-
ны, и всё это приведёт к снижению несущей способности дорожного полотна и постепенному его разрушению.
В целях усиления дорожных конструкций применяется армирование, благодаря которому вертикальные нагрузки перераспределяются и переходят в горизонтальные, увеличивается несущая способность покрытия, полотно становится прочным и устойчивым к образованию трещин. Для этого между асфальтоби-тумными слоями укладывают сетку, изготовленную из проволоки ВР-1 диаметром 45 мм, или арматуру, которая располагается в двух взаимно перпендикулярных направлениях и сваривается в местах пересечения (размер ячеек при этом может быть различным).
Но наибольшая эффективность армирования достигается за счёт внедрения в конструкцию дорожного полотна геосинтетических материалов.
Геосинтетические материалы - класс полимерных строительных материалов, выполняющих в дорожном строительстве функции армирования, разделения и дренирования, в перечень которых входят: георешётки, геомембраны, геокомпозиты, геооболочки, геотекстильные материалы, геоэлементы, геоплиты. Эти материалы используются в основании земляного полотна, в самом земляном полотне и дорожной одежде.
Применение современных геосинтетических материалов и разработка на их основе прогрессивных технических решений, что стало возможным в последнее десятилетие, позволили существенно повысить эффективность дорожного строительства и долговечность дорожных конструкций.
Преимущества применения геосинтетических материалов:
- низкая чувствительность к присутствующим в грунте агрессивным веществам;
- простота в укладке;
- более низкая стоимость сооружений;
- возможность использовать местный грунт, избегая замены его грунтом с более высокими физико-механическими характеристиками.
Эффективность армирования при использовании некоторых геосинтетических материалов [1]
Углеродные волокна. Приблизительное отношение модулей упругости матрицы асфальтобетона к материалу армирования составляет 1:18, отсутствует ползучесть, хорошо фрезеруются в асфальтобетоне. Углеродные волокна на сегодняшний день могли бы быть признаны идеальным материалом для армирования дорожных покрытий, однако высокие цены ограничивают перспективы их применения. Поэтому сетки из углеродных волокон могут рекомендоваться лишь для особо ответственных участков дорог.
Стекловолокно. Отношение модулей упругости асфальтобетона к материалу армирования составляет 1:5, отсутствует ползучесть, хорошо фрезеруются в асфальтобетоне. Данный материал не подвержен коррозии и отлично выдерживает механические нагрузки. Однако некоторые стеклогеосетки не всегда выдерживают циклические нагрузки или имеют недостаточную адгезию к асфальту. Армирующие свойства
широко применяемых во всём мире геосеток из стекловолокна в значительной степени зависят от особенностей технологии их изготовления. Отметим, что для хорошей адгезии стекловолокно должно быть предварительно обработано битумом. В регионах страны с суровыми климатическими условиями и широким диапазоном колебания температур стекловолокно в качестве армирующего материала зарекомендовало себя лучше, чем полимерные материалы.
Арамидные волокна хотя и обладают высоким соотношением модулей упругости асфальтобетона к материалу армирования (1:13), не были рекомендованы к использованию из-за затруднений со вторичным использованием асфальтобетона, образующегося после фрезерования слоя износа. Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т.п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.
Стальные сетки очень хорошо армируют асфальтобетон, но не были рекомендованы по причине усложнения технологии армирования и возникающих проблем с рециклированием несущих слоёв.
Сетки из полиэстера не были рекомендованы вообще для армирования асфальта: лабораторные испытания показали их низкую эффективность по сдерживанию отражённых трещин, соотношение модулей упругости (1:1), наличие ползучести и сложности со вторичной переработкой асфальтобетона.
Из перечисленных материалов геосетки из стекловолокна стоят на первом месте [1]. Кроме того, такой композитный материал, как геосетка с подложкой из нетканого материала, иногда предпочтительнее к использованию, чем простая геосетка. Пропитка нетканого материала битумной эмульсией или битумом превращает его в гидроизолирующую прослойку, что препятствует проникновению влаги, углекислого газа и
озона в нижние слои дорожных одежд.
Для достижения равнопрочности (повышения прочности) дорожных конструкций при уширении целесообразно применять конструктивные решения по уширению дорожных одежд с использованием в качестве защитных, армирующих, дренирующих прослоек геосинтетических материалов, сеток, геопластиков и георешеток пространственного типа. При уширении дорожной одежды необходимым условием является надёжное сопряжение конструкции уширения со старой одеждой. С этой целью в контактной зоне (зоне стыка) используют прослойки из геосинтетических материалов и геосеток, смещают торцевые части сло-ёв покрытия относительно друг друга в сторону существующей дорожной одежды.
В качестве примера использования стеклогеосе-ток на территории России показательными являются ремонтные работы на автомобильной дороге М-53 «Байкал» от Челябинска до Читы (через Курган, Омск, Новосибирск, Кемерово, Красноярск, Иркутск, Улан-Удэ) на участке км 1353+000 - км 1362+000 в Иркутской области в 2012 году. Выбранный для исследования участок находится в 1-й климатической зоне, где температура воздуха колеблется от -50°С зимой до +36°С летом (рис. 1, 2).
Дорожное покрытие шириной 7 м построено из асфальтобетона толщиной 14 см, уложено на нижний слой основания из щебёночно-песчаной смеси С-4 толщиной 15 см. Под воздействием нагрузки от проходящего транспорта и неблагоприятных климатических и грунтово-гидрологических условий основные эксплуатационные показатели дороги ухудшились. Это проявилось в виде различных выбоин, просадок, проломов, трещин (рис. 3), колейности на поверхности покрытия. Ровность покрытия не соответствовала нормативным требованиям [2] (рис. 4).
В процессе ремонтных работ на экспериментальном участке открытые трещины заполняли битум-минеральной смесью, затем производили укладку, т.е. устройство выравнивающего слоя из асфальтобетона (рис. 4,в).
Рис. 1. Вид отремонтированного участка дороги (2012 год)
Асфальтобетон горячий, плотный И=б см
Асфальтобетон горячий, пористый Ь=11 см
Земляное полотно
Рис. 3. Сетка трещин
Асфальтобетон горячий, плотный И=6 см Асфальтобетон горячий, пористый Ь=8 см
Щебень фракционный
Земляное полотно
Асфальтобетон горячий, плотный Ь=6 см Геосетка ССНП 50/50-40
ХАЙВЕЙ_
Устройство
выравнивающего слоя из асфальтобетона горячий.пористый м/з I Асфальтобетон горячий, , пористый Ь=8 см
( Земляное полотно в)
Рис. 4. Конструкции дорожных одежд: а - существующая; б - проектная; в - на экспериментальном участке
В ходе обследования весной 2013 года было установлено, что ни одна из продольных трещин на экспериментальном участке не раскрылась, в то время как на соседнем участке с такой же толщиной верхнего слоя асфальтобетона, но который не был армирован, уже через полгода эксплуатации раскрылась большая часть продольных и поперечных трещин.
Зимой 2012 года температура в районе Нижне-удинска достигала отметки -46°С. При осмотре участка по прошествии зимы была выявлена одна поперечная трещина, причём она появилась и прошла по не-армированному участку дороги (рис. 5).
кают серьёзные ошибки при инсталляции. По нашему мнению, вопрос о тщательной разработке теории и практики армирования верхних слоёв дорожных покрытий является актуальным.
Кроме того, одним из важнейших является вопрос выбора материалов для армирования. В данной статье были приведены некоторые аргументы в предпочтение стекловолокна при изготовлении геосеток, предназначенных для армирования верхних слоёв дорожных одежд. Зарубежные строительные компании применяют данный материал уже на протяжении 20 лет [5]. Российский опыт, хотя и не такой существенный, также показал эффективность применения
Рис. 5. Вид поперечной трещины, образовавшейся после зимы (стрелками указан ход распространения трещины)
По результатам проведённого исследования можно заключить, что применение армирования дорожных покрытий имеет большие перспективы, поскольку именно эта технология позволяет при малых вложениях решать проблему снижения затрат на содержание и значительно увеличивать сроки службы дорожного полотна. Однако почти все авторы работ подчеркивают, что технология армирования недостаточно разработана; нередко исполнители работ в силу недостаточного понимания механизма армирования допус-
стеклопластиковой арматуры в дорожном строительстве.
Таким образом, изучение имеющихся армирующих материалов является одной из важных составляющих программы по развитию технологии армирования верхних слоёв дорожных одежд. Подобные исследования дадут возможность выявить недостатки геосеток и выработать рекомендации по улучшению их армирующих свойств для производителей.
Библиографический список
1. Батероу К. К вопросу об армировании асфальтобетона геосетками из стекловолокна. АРМДОР [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.armdor.ru/reviews/49/
2. Методические рекомендации по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования (приняты письмом Росавтодора от 17.03.2004 г. № ОС-28/1270-ис). Информационно-правовой портал «Гарант» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://base.garant.ru/6178854/
3. ОДМ 218.5.001.-2009. Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешёток для армирования асфальтобетонных слоёв усовершенствованных видов
покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог: отраслевой дорожный методический документ. М.: Росавтодор, 2009. 87 с.
4. Справочная энциклопедия дорожника. Т. I. Строительство и реконструкция автомобильных дорог / под ред. А.П. Васильева А.П. М.: Информавтодор, 2005. 1701 с.
5. Юмашев В. М., Басурманова И. В. Повышение трещино-стойкости асфальтобетонных покрытий на жестких основаниях (зарубежный опыт): обзорная информация. М.: Инфор-мавтодор, 1998. 68 с.
