Износ дорожного покрытия. Виды износов автодорог. Периодичность проведения работ по устройству слоёв износа и защитных слоёв дорожного покрытия

Износом называется процесс уменьшения толщины слоя покрытия в результате потери материала под истирающим воздействием колес транспортных средств в сочетании с погодными факторами.

Одновременно под износом понимают и собственно величину этого уменьшения, измеряемую в миллиметрах.

Износ дорожных покрытий происходит на всех дорогах без исключения, однако темпы и величина износа зависят от многих факторов.

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 15.5). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта /, меньше, чем вне его 1 Х на 5-10%. Поэтому в плоскости контакта точка шины движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ покрытия при движении гру-

Рис. 15.5. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия: А - зона сжатия; Б - зона растяжения; / 1; / - путь, проходимый точкой на шине вне зоны и в зоне контакта шины с покрытием соответственно; а - угловая скорость; (3 - угол, на который распространяются деформации шины

зовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых.

Большое влияние на процесс износа асфальтобетонного покрытия оказывают неоднородность материала покрытия, из которого в процессе износа происходит истирание и выбивание зерен песка и щебня, отрыв и удаление мелкозернистой фракции (мельче 0,05 мм) вместе с битумом или без него, вымывание или удаление битума при наличии воды или агрессивных растворов и т.д.

Чем прочнее материал покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60%. Увеличение содержания битума с 5 до 7% снижает износ на 50-80%.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 50 мм и более. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что приводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средний износ по всей площади покрытия /г ср, мм:

где к - коэффициент неравномерности износа, в среднем к = 0,6...0,7;

/? н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в миллиметрах, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в кубических метрах на километр.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий.

Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колес автомобилей происходит в два этапа. На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счет погружения зерен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твердости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердомера, и асфальтобетонные покрытия подразделяют на очень твердые - 0-2 мм погружения иглы; твердые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твердостью и поэтому износ его происходит медленнее.

На втором этапе после погружения щебенок в покрытие происходит собственно износ - истирание покрытия.

Износ дорожного покрытия - серьезная проблема для россиян. Дискомфорт во время езды, поломки, опасность – все это влечет за собой износ дорожной одежды.

Любое покрытие не идеально. Так или иначе, его приходится время от времени заменять. Хотя срок службы российских дорог намного меньше, чем заграничных, поскольку их качество хуже.

Есть много причин возникновения дорожного износа. Основная из них - постоянное движение транспорта, особенно крупногабаритного. Чем хуже по качеству дорожное покрытие, тем больше количество проехавшего транспорта влияет на степень износа. Дороги, покрытые битумными смесями, например асфальтом, могут размягчаться в жаркую погоду. Как результат - волны и наплывы от воздействия транспорта. В зимний период, из-за холода, дорожное покрытие может наоборот потрескаться.

Там, где дорожное полотно сопрягается с обочинами, возможны повреждения кромки проежджей части; это касается тех случаев, когда не установлены укрепительные полосы.

Бетонные и каменные сооружения со временем выветриваются. Попавшая в поры и трещины камня воды может замерзнуть и расширяться, вследствие чем каменная кладка может разрушиться.

Нельзя избежать износа, каким бы качественным ни было покрытие. Если оно устроена без применения вяжущих веществ, частицы могут выбиваться колесами в сухую погоду, или вымываться водой в дождливую. Те покрытия, которые построены с использованием вяжущих органических веществ, изнашиваются в ходе истирания поверхности движущимся транспортом.

Для того, чтобы правильно и своевременно восстановить дорожное покрытие, необходимо рассчитать степень его износа. Например, износ покрытия за год можно найти на формуле a+BT, где а - это износ под влиянием дождя и других атмосферных явлений, B-параметр износа, а T - грузонапряженностью, измеряется в миллионах тонн брутто за год, за исключением зимы.

Если известен коэффициент прочности, то можно без проблем назначить дорожно-строительные мероприятия в соответствии с требованиями, которые выдвигаются к движению. Более качественное покрытие служит дольше, и ремонтировать его надо реже.

Известны такие дефекты дорожного покрытия, как ямы, трещины. Часто встречаются наплывы, когда уровень асфальта резко меняется, или длинные глубокие западины, образованные фурами. От водителя требуется внимательно следить за дорогой, и при возможно выбирать пути объезда проблемных мест.

Даже самое качественное дорожное покрытие рано или поздно приходит в негодность. Причин этому множество. Среди них в виде основных можно выделить следующие: атмосферные осадки, водонасыщение , большие перепады температур, высокие транспортные нагрузки и многие другие факторы. А что говорить, когда приготовление асфальтобетонной смеси было проведено с нарушениями или в технологии самого строительства автодороги были допущены ошибки. Естественно в этих случаях качество дорожного покрытия будет невысоким, что станет основной причиной различных деформаций и разрушений автодороги.

Основными видами деформации автодорог являются следующие.

1. Износ или истирание. Представляет собой уменьшение толщины всего дорожного покрытия из-за потери материала вследствие усиленной эксплуатации, а также различных природных факторов. Для снижения износа автодорог применяют новые технологии асфальта , используют различные пластификаторы, замедляющие старение битума , повышающие плотность битума и его устойчивость к истиранию.

2. Шелушение - отделение мелких частиц от верхних дорожных слоёв под действием водонасыщения с последующим замерзанием. При этом слои износа значительно увеличиваются и процесс становится неуправляемым. Кроме того, шелушение автодороги усиливается под действием хлоридов, которые входят в состав специальных смесей для борьбы с гололёдом. Для того чтобы прекратить шелушение проводится обработка поверхности автодороги битумом с подсыпкой минерального материала мелких фракций.

3. Выкрашивание - отделение от дорожного покрытия крупных фракций щебня, которые недостаточно сцеплены с битумом. Причинами это явления являются некачественные смеси, которые перевозятся самосвалами и имеют остатки песка, попадающие в смесь, плохое уплотнение асфальтобетонной смеси особенно в дождь или холод. Замедлить шелушение можно только путём укладки специального защищающего слоя.

4. Обламывание кромок - происходит в местах сопряжения дороги с обочинами. Этот вид деформации чаще всего появляется в местах выезда на обочину тяжёлых грузовиков. Для предотвращения обламывания кромок во время строительства дороги на обочине устраивается специальная укрепительная или, как её ещё называют, краевая полоса.

5. Волны и колеобразование - вид деформации автодороги, возникающий на покрытиях с высокой пластичностью. Причинами могут служить высокое сцепление при сдвиге особенно на уклонах, в местах остановок и стоянок общественного транспорта, при торможении. Часто скорость образования колеи или волн увеличивается в летнее время, когда температура дорожного покрытия достигает 60°С и выше. Повысить сдвигоустойчивость можно только во время строительства путём применения соответствующих асфальтобетонных смесей.

К видам деформации автодорог можно также отнести различные трещины, сдвиги, вмятины, выбоины, гребёнку.

Срок службы асфальта в зависимости от его состава, характера укладки, места укладки и использованных технологий может различаться. Каждый слой асфальта имеет свой срок. К примеру, земляное покрытие может держаться без вмешательства до 10 лет. В то время как верхние слои асфальта без ремонта должны просуществовать около 3-5 лет. Однако дорога — это не естественное сооружение, а весьма сложная инженерная конструкция, и поэтому требует постоянного контроля, диагностики и периодического ремонта Износ дороги — это закономерное явление. На него оказывают влияние разные факторы, которые обычно разделяют на внутренние и внешние. К внутренним принято относить:

• Погрешности во время проектирования дорог. Нередко к трещинам, заломам, ямам и преждевременному износу приводят ошибки в расчётах, геодезических замерах. Такие ошибки как правило, очень тяжело исправимы, чаще всего для их устранения необходимы дорогостоящие меры в частности капитальный ремонт.
• Использование дешёвых и низкокачественных материалов. Привычно слышать о недобросовестных подрядчиках, использующих материалы, о которых не было условлено в соглашении. Между тем использование каждого вида материалов в строительстве дороги, обусловлено назначением трассы, её пропускной способностью, климатическими условиями, в которых ей предстоит функционировать. Поэтому использование низкокачественных материалов приводит к очень быстрому износу дороги. Порой за 1-2 года использования дорога проходит все стадии износа и подходит к критическому, требуя полного капитального ремонта.

• Неправильная укладка дороги и несоблюдение правил СНИП и ГОСТ. Неправильная укладка дороги — ещё одна ситуация, о которой приходится нередко слышать. Например, ставшая уже анекдотической, укладка горячего асфальта в дождь. Или поставка горячего асфальта к месту укладки ниже требуемой температуры, что должно считаться браком. Несоблюдение технологий, указанных в ГОСТ и СНИП при укладке дорожного полотна могут впоследствии стать причиной раннего износа дороги — преждевременного образования трещин, ям, сколов, деформации земляного полотна и верхних слоёв дороги. Как правило, такие дефекты исправляются “латанием” трещин, проведением ямочного ремонта. Но они не всегда могут исправить ситуацию, а иной раз и вовсе способны только усугубить. Ямочный ремонт целесообразен для устранения проблемы на отдельном участке дороги. Если участок чересчур большой или источник дефекта располагается в глубинных слоях, ямочный ремонт дела не поправит.

Дорога — это сложная инженерная конструкция, где любая ошибка непременно скажется на будущем состоянии трассы.

К внешним факторам, приводящим к износу дороги относят:

• Климатическая обстановка и погода. Чем более контрастный и переменчивый климат, тем хуже придётся дороге. Почти на всей европейской части России в году три контрастных сезона – похожие между собой весна и осень, изобилующие дождями и паводками, морозная зима и жаркое лето. Такие условия для дороги могут оказаться сложнее, чем, например, в южных регионах и странах, где основная проблема для дороги — это жара. То же и для северных регионов — основная задача морозоустойчивость дорожного полотна. В зонах с большим количеством осадков, перепадами температур, требования к асфальту выше. Асфальтовые смеси должны иметь возможность работать в широком температурном диапазоне. Это достигается особыми составами полимерно-битумных вяжущих.

• Чрезмерно интенсивный транспортный поток. Интенсивность движения — один из главных факторов, способствующих износу дороги. Расчёты воздействия транспортных средств берутся на основе следующих показателей — марки автомобилей (легкие, средние, тяжелые) грузоподъёмности, общего веса, вместимости людей, интенсивности движения в обоих направлениях (количества автомобилей в сутки). Также в расчёт берется соотношение местного и транзитного транспорта. Интенсивность потока — очень динамичная категория, за которой нужен постоянный контроль. Так как на интенсивность транспорта могут повлиять разные факторы, не имеющие никакого отношения к дорожному хозяйству. Например, проведение спортивных соревнований в населённом пункте может резко увеличить количество транспорта и нагрузку на трассу. Строительство складов, торговых баз, торговых центров и иных объектов городской инфраструктуры может сказаться тем же образом. Повлиять могут и сами объекты дорожного хозяйства. Ремонт одной трассы или её критический износ могут резко увеличить интенсивность транспортного потока на другой трассе.

Стоит добавить, что разделение на внешние и внутренние факторы весьма условное, так как при проектировке дороги внешние факторы должны просчитываться с максимально возможной точностью.

Стадии износа дорожного полотна

Как было сказано выше, дорожный износ — ситуация закономерная. Если дорога строилась без ошибок в проектировании, а её укладка велась при должных условиях, то и износ будет вполне предсказуемым. Можно условно выделить три стадии износа дорожного полотна.

На первую стадию указывают незначительные сколы, трещины, вмятины на асфальте. Покрытие становится менее шероховатым. Такие изменения в зависимости от типа дороги, её категории и интенсивности транспортного потока могут возникнуть как спустя 1-2 года после укладки асфальта, так и спустя 3-4 года. Стоит отметить, что первая стадия износа — это нормальное состояние дорожного полотна. В этой стадии дорога может просуществовать очень долго без серьёзных изменений.

При переходе на вторую стадию износа дорожное полотно характеризуют заметные деформации — ямы, трещины и выбоины становятся объёмнее. Появляются ощутимые вмятины и неровности. На этой стадии требуется точечная реконструкция дороги — ямочный ремонт, санация трещин, армирование.

Третья стадия — это сильный износ. Если дорога вообще подходит к третьей стадии, это говорит в первую очередь о её крайне запущенном состоянии. Передвижение по такому асфальту становится опасным — сильные выбоины, трещины, глубокие ямы, разрушение обочины. Единственно возможный выход из этой ситуации — это капитальный ремонт дороги.

Способы укрепления верхнего слоя асфальта

Укрепление дорожной одежды и в частности верхнего слоя дороги, как наиболее уязвимого – важное мероприятие, которое продлевает срок службы полотна, и отодвигает необходимость проведения точечного или капитального ремонта.

Классическим способом укрепления асфальта является — укладка поверх старого покрытия нового слоя асфальтобетона. Слой может быть не один, а несколько. Такой способ довольно затратный, как в финансовом, так и в трудовом отношении. Дело в том, что, как показывает практика, толщина нового укрепляющего слоя должна быть от 12 до 15 см, для того, чтобы эффективно сопротивляться деформациям, которые провоцирует нижележащий слой. Если армирующий слой будет меньше, то он не сможет противостоять старому покрытию и работы потеряют всякую целесообразность.

Дополнительной защитной мерой служит установка так называемых мембран, которые служат в качестве отражателей трещин. Эти мембраны представляют собой смеси на основе резины и битума, а также минеральных добавок. Популярный способ — смешение мелкофракционного щебня с битумной добавкой. Слой прокладывается между новым и старым покрытием. Суть такого способа в прочном сцеплении обоих слоёв.

Хорошо зарекомендовало себя армирование верхнего слоя георешёткой. Материалом для георешёток служит полиэтилен, полиэфир, поливинилалкоголь и подобные синтетические волокна. Сетка предохраняет нижние слои дорожного полотна от старения и продлевает срок их службы. Она также снижает возможность образования колей и вмятин, что весьма актуально на дорогах с высокой интенсивностью движения. Кроме того, георешётки в некотором роде упрощают процесс укладки асфальта, снижая возможность технологических ошибок.

Наибольшее влияние на износ покрытий оказывают движущиеся автомобили. Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 6.7). При этом на участке входа шины в зону контакта с покрытием в шине происходит сжатие, а на выходе из контакта - расширение. Путь, проходимый точкой на шине в плоскости контакта l 1 , меньше, чем вне его l . Поэтому в плоскости контакта точка движется с ускорением, большим по сравнению с тем, как она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скорость а в секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определённой длины с проскальзыванием вместо одного качения.

Рис. 6.7. Деформации шины колеса, способствующие износу покрытия:
А - зона сжатия, Б - зона растяжения

Под действием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа происходит истирание покрытия и шины автомобиля. Наибольшие касательные усилия и наибольший износ возникают при торможении автомобиля. Износ при движении грузовых автомобилей примерно в 2 раза больше, чем при движении легковых. Чем больше прочность материала покрытия, тем меньше и равномернее по ширине износ покрытия. На покрытиях из малопрочных материалов интенсивность износа значительно выше, чаще образуются колеи и выбоины. Применение изверженных пород для щебня взамен осадочных уменьшает износ на 60 %. Увеличение содержания битума с 5 до 7 % снижает износ на 50-80 %.

Износ покрытия в пределах проезжей части и толщины покрытий происходит неравномерно и на покрытии образуются колеи истирания по полосам наката, глубина которых может колебаться от нескольких миллиметров до 40-50 мм. В таких колеях во время дождя создается значительный слой воды, что проводит к снижению сцепных качеств покрытия и аквапланированию.

Средняя величина износа по всей площади покрытия h ср , мм, составляет:

h ср = k ×h н , мм, где (6.1)

k - коэффициент неравномерности износа, в среднем равен 0,6-0,7;

h н - величина износа в полосе наката, мм.

Для усовершенствованных покрытий износ измеряют в мм, а для покрытий переходного типа также и по объему потери материала в м 3 /км.

Особенности износа шероховатых дорожных покрытий . Износ шероховатой поверхности дорожных покрытий проявляется в уменьшении высоты и в шлифовании неровностей макрошероховатостей. Уменьшение макрошероховатости покрытий под действием колёс автомобилей происходит в два этапа (см. рис. 7.3). На первом этапе сразу после окончания строительства шероховатость покрытия уменьшается за счёт погружения зёрен щебня слоя износа в нижележащий слой покрытия. Величина этого погружения зависит от интенсивности и состава движения, размера щебня и твёрдости покрытия. Твердость покрытия оценивают глубиной погружения иглы твердометра и для асфальтобетонных покрытий делят на: очень твёрдые - 0-2 мм; твёрдые - 2-5 мм; нормальные - 5-8 мм; мягкие - 8-12 мм; очень мягкие - 12-18 мм. Цементобетонные покрытия обладают абсолютной твёрдостью.

Определение износа покрытий расчётом . Среднее значение уменьшения толщины дорожных покрытий в год вследствие износа может быть определено по формуле проф. М.Б. Корсунского (следует отметить, что указанные исследования выполнялись более 50 лет тому назад и количественные значения их результатов мало применимы к современным дорогам и автомобилям):

h = a + b ×B (6.2)

h - годовой износ покрытия, мм;

а - параметр, зависящий в основном от погодоустойчивости покрытия и климатических условий;

b - показатель, зависящий от качества (в основном прочности) материала покрытия, степени его увлажнения, состава и скорости движения;

В - грузонапряжённость движения, млн. брутто-тонн в год; N » 0,001×В (N - интенсивность движения, авт./сут).

Износ покрытия за Т лет с учётом изменения состава и интенсивности движения в перспективе по геометрической прогрессии можно определить по формуле

где (6.3)

h T - износ покрытия за Т лет, мм;

N 1 - интенсивность движения в исходном году, авт./сут;

К = 1,05-1,07 - коэффициент, учитывающий изменение в составе движения;

q 1 - показатель ежегодного роста интенсивности движения, q 1 > 1,0.

Значения параметров а и b приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Примечания. 1. Средние значения а и b принимают для дорог, расположенных в зоне умеренного увлажнения (III дорожно-климатическая зона) и построенных из каменных материалов, удовлетворяющих требованиям стандартов. 2. Для дорог с усовершенствованными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения (II дорожно-климатическая зона), принимают верхние пределы, а для дорог, расположенных в районах с сухим климатом (IV и V дорожно-климатические зоны), - нижние пределы значений а и b . 3. Для дорог с щебёночными и гравийными покрытиями, расположенных в зоне избыточного увлажнения, принимают нижние пределы, а в районах с сухим климатом - верхние пределы а и b . 4. Если ширина проезжей части превышает 7,0 м, то значение b уменьшают на 15 %, а если она меньше 6,0 м, то b увеличивают на 15 %.

В последние годы для повышения устойчивости движения автомобилей стали применять шины с шипами или цепями. Опыт показывает, что это резко увеличивает износ покрытий на дорогах.

В момент соприкосновения с покрытием каждый шип наносит удар с большой скоростью. Шип имеет очень маленькую массу, но многократное повторение этих ударов по одному месту способствует ослаблению верхнего слоя покрытия. Большее истирающее воздействие оказывает шип, выходящий из зоны контакта, где шина вместе с шипом проскальзывает по поверхности покрытия, истирая его.

Продолжительность износа асфальтобетонных покрытий при эксплуатации шин с цепями и шипами сокращается в 2-3 раза. Даже на покрытиях из высокопрочного литого асфальтобетона на автомагистралях ФРГ, по которым движутся автомобили, оснащённые шинами с шипами, через 1-2 года образуются колеи по полосам наката глубиной до 10 мм.

Поэтому в условиях эксплуатации дорог России использование шин с шипами и цепями противоскольжения на дорогах общего пользования должно быть строго ограничено.

В качестве критерия предельного состояния дорожного покрытия по износу может быть принята величина допустимого износа Н и : для асфальтобетонных покрытий 10-20 мм; для щебёночных и гравийных, обработанных органическими вяжущими - 30-40 мм; щебёночных из прочного щебня - 40-50 мм, гравийных - 50-60 мм.

Исходя из этого дорожно-эксплуатационные организации при приёмке дорог после строительства или ремонта с усилением должны требовать от строителей, чтобы покрытие имело толщину больше расчётной из условия прочности на величину допустимого износа, т.е.

h n = h np + Н и , мм, где (6.5)

h np - расчетная толщина покрытия из условия прочности дорожной одежды, мм.

Измерение износа . Ежегодный износ в долях мм цементобетонных, асфальтобетонных и других монолитных покрытий измеряют при помощи реперов, закладываемых в толщу покрытия, и износомера. При этом способе измерения износа в покрытие предварительно закладывают реперы-стаканчики из латуни. Дно стаканчика служит поверхностью, от которой выполняют отсчёт.

Износ определяют также с помощью пластин (марок) трапецеидальной формы из известняка или мягкого металла, заделываемых в покрытие и истирающихся совместно с ним. Для определения износа покрытий могут быть использованы различного рода электрические или георадарные приборы, применяемые для измерения толщины слоев в слоистых полупространствах.

Располагая данными о фактическом износе покрытия и предельно допустимом износе, определяют коэффициент изношенности покрытия.

ГЛАВА 7. Закономерности изменения основных транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог