Справочная энциклопедия дорожника (том II) Ремонт и содержание автомобильных дорог. Под ред. А.П. Васильева
Подождите немного. Документ загружается.
особенно асфальтенов, а также за счёт повышения вязкости и когезии битума
в результате процессов взаимодействия битума с минеральными
материалами. На второй стадии старения снижается водо- и
морозоустойчивость битумоминерального материала без заметного
изменения его прочности. Третья стадия сопровождается резким снижением
прочности материала, повышением его водонасыщения, набухания и
уменьшением водо- и морозоустойчивости. Это приводит к коррозии
покрытия, усиленному выкрашиванию минеральных частиц и образованию
выбоин и разрушений.
При одном прогибе дорожных одежд, минеральный материал которых
обработан органическими вяжущими, эти изменения могут быть бесконечно
малыми. Однако за время службы одежды число прогибов измеряется
миллионами, поэтому величины остаточных деформаций возрастают.
Кристаллизационный тип структуры характерен для цементобетонов,
каменных материалов и грунтов, укреплённых цементом и другими
минеральными вяжущими. Связь между частицами материала
осуществляется в результате спаек, образованных кристаллами вяжущего.
Для таких материалов характерна повышенная жесткость и прочность,
упругие свойства выражены достаточно четко. Наиболее опасными
напряжениями для слоев одежды из монолитных материалов являются
растягивающие, возникающие в слое при изгибе, а для слоев из слабосвязных
материалов (зернистых) - напряжения сдвига (касательные).
Для слоев и покрытий с кристаллизационным типом наиболее
характерными являются восстанавливающиеся деформации, а также
разрушения в виде трещин и сколов. На покрытиях возникают
преимущественно разрушения - трещины, проломы, шелушение, истирание.
Напряжения в цементобетонных покрытиях возникают от воздействия
нагрузок и изменения температуры. При изменении температуры воздуха,
сопровождающегося нагреванием или охлаждением покрытия, оно стремится
изменить свои размеры, но из-за сопротивления сил трения нижней
поверхности покрытия о грунт (или другой материал основания) это
становится затруднительным и в покрытии возникают температурные
напряжения. К температурным относят также напряжения, возникающие в
покрытии в результате неравномерного распределения в нём температур по
толщине, обусловливающего стремление его к короблению и
противодействия этому собственного веса плиты. Кроме того,
температурными можно условно считать напряжения, возникающие при
неравномерном поднятии покрытия в процессе зимнего вспучивания
земляного полотна. Температурные напряжения совместно с напряжениями
от воздействия нагрузок от транспортных средств приводят к образованию и
развитию трещин в бетонном покрытии.
Кроме перечисленных выше причин деформаций и разрушений дорожных
одежд и покрытий могут быть отступления от нормативных требований к
технологии и организации работ при строительстве или ремонте, нарушения
требований к материалам и составам смесей и т.д.
Обобщенная характеристика основных деформаций и разрушений
дорожных одежд и покрытий приведена в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Наиболее распространенные деформации и разрушения дорожных одежд и их причины
Наименование и характер деформаций
Наиболее вероятные причины возникновения
деформаций
Деформации покрытия при достаточно прочной дорожной одежде
1. Истирание (износ) всех видов покрытия.
Усиленное и чаще всего неравномерное истирание
наблюдается: на участках торможения
автомобилей, на спусках, перед кривыми, в
населенных пунктах, перед перекрестками и на
участках с интенсивным тяжелым движением
1. Недостаточная износостойкость покрытия (слабая
связность)
2. Выкрашивание и шелушение - поверхностное
и послойное разрушение покрытия и отслаивание
вяжущего от минерального материала.
Наблюдается на покрытиях, содержащих вяжущее
(на цементобетонном, асфальтобетонном и
подобном им покрытии)
2. Недостаточно прочное сцепление вяжущего с
каменным материалом
3. Выбоины - местные разрушения покрытия,
имеющие вид углубления с резко очерченными
краями. Наблюдаются на всех видах покрытий
3. Недостаточное сопротивление покрытия
касательным усилиям от транспортных средств,
выбивающих и выдергивающих каменные частицы,
выщелачивание органических вяжущих водой;
непрочное сцепление вяжущего с каменным
материалом: дефекты укатки покрытия
4. Волны - закономерное чередование (через
0,4-2,0 м) на покрытии гребней и впадин вдоль
дороги. Наблюдаются на покрытиях, содержащих
органическое вяжущее, а также на гравийных
покрытиях, не обработанных вяжущим, - чаще
всего в местах остановок транспортных средств,
вблизи пересечений в одном уровне, на крутых
спусках
4. Излишняя пластичность покрытия из-за избытка
вяжущего или недостаточной теплоустойчивости смеси
при высоких температурах. Недостаточное содержание
щебня. На гравийных необработанных покрытиях
образование волн («гребёнки») вызвано динамическим
воздействием транспортных средств на смесь с
недостаточным количеством частиц, придающих
связность покрытию
5. Сдвиги - смещения покрытия по основанию,
сопровождающиеся часто наплывом слоя по слою.
Наблюдаются на покрытиях, содержащих
органическое вяжущее, на крутых спусках, в
местах остановок и торможения автомобилей
5. Излишняя пластичность покрытия, обусловленная
избытком вяжущего или недостаточной вязкостью его и
теплоустойчивостью смеси при высоких температурах.
Недостаточно прочное сцепление покрытия с
основанием
6. Трещины на покрытии, содержащем
органическое вяжущее:
одиночные разного направления, расположены
обычно один от другого на большом расстоянии;
6. Дефекты организации работ, технологии укладки
и укатки смеси. Недостаточная деформативная
способность покрытия и малая сопротивляемость его
напряжениям, возникающим от изменения температуры
и многократного воздействия нагрузки.
Неоднородность свойств покрытий и основания, а
отдельные поперечные трещины,
расположенные примерно через одинаковое
расстояние (не менее 10 м) - так называемые
температурные;
редкие поперечные и косые трещины, не
связанные между собой (расстояние между
соседними трещинами 4-10 м);
частые поперечные и косые трещины с
ответвлениями, иногда связанные между собой, но,
как правило, не образующие замкнутых фигур,
расстояние между соседними трещинами
соответственно 2-4 м и 1-2 м;
сетка трещин с крупными ячейками - трещины
произвольного очертания, образуют замкнутые
фигуры, расположены в разных местах по ширине
проезжей части
также ряд случайных факторов
7. Трещины на цементобетонных покрытиях: 7. Изменение температуры покрытия при большем,
чем допустимо, расстоянии между швами сжатия или
расширения, при невысоком качестве их устройства,
перерыве в бетонировании более 2 ч.
поперечные сквозные
продольные сквозные Дефекты в устройстве продольных швов.
Неоднородность качества земляного полотна
неглубокие Неравномерное распределение температуры по
толщине плиты, обусловливающее ее коробление, и
недостаточная деформативная способность плиты при
одновременном с температурой воздействием нагрузок.
волосяные усадочные [Усадка бетона, особенно при неправильном уходе
после укладки, а также от замерзания воды,
попадающей в него.
косые вблизи углов плиты Недостаточно плотное прилегание бетонной плиты к
основанию и повышенные напряжения в плите при
проезде транспортных средств
Деформации всей конструкции дорожной одежды
8. Сетка трещин с мелкими ячейками (10-20 см)
на полосах наката покрытий, содержащих
органическое вяжущее
8-11. Недостаточная прочность дорожной
конструкции
9. Частые, отстоящие одна от другой на 20-40
см, продольные трещины на полосах наката в
сочетании с частыми (1-4 м) поперечными
трещинами на всю ширину проезжей части.
Наблюдаются на покрытиях, содержащих
органическое вяжущее, построенных на
основаниях из грунта (материала), укрепленного
цементом или другим минеральным вяжущим
10. Просадки - резкие искажения профиля
покрытия, имеющие вид впадин с округлой
поверхностью. На покрытиях, содержащих
органическое вяжущее, нередко сопровождаются
сеткой трещин
11. Колейность - плавное искажение
поперечного профиля покрытия на полосах наката.
Наблюдается на всех типах покрытия
12. Проломы - полное разрушение дорожной
одежды с резким искажением поперечного
профиля. Наблюдаются на всех типах покрытий
12. Весьма незначительная прочность дорожной
одежды в сравнении с требуемой по условиям
движения
13. Те же деформации и разрушения, что и в 13. Неустойчивость (пластичность) и недостаточная
п.п. 8, 10 - 12, когда оттаяла лишь дорожная
одежда, а грунт земляного полотна находится в
мёрзлом состоянии. Наблюдается на всех типах
одежд, за исключением цементобетонных
прочность хотя бы одного промежуточного слоя
дорожной одежды
14. Продольные и косые пересекающиеся
трещины или паутинообразная сетка трещин при
искаженном поперечном профиле проезжей части,
связанные с неравномерным поднятием (пучением)
земляного полотна при промерзании
14. Неудовлетворительные грунтовые условия при
неблагоприятных условиях увлажнения главным
образом подземными или длительно застаивающимися
поверхностными водами и глубоком промерзании
земляного полотна
5.4. Причины образования трещин и ямочности и их влияние на состояние
дорожной одежды
Трещины являются наиболее распространенным видом дефектов
дорожных одежд. Основной причиной образования трещин является
возникновение растягивающих и изгибающих напряжений в слоях дорожной
одежды, возникающих под действием нагрузки от автомобилей и
температурных колебаний и особенно при совместном действии этих
факторов. Трещины зарождаются там, где нормальные растягивающие
напряжения в слое покрытия или дорожной одежды превышают предел
прочности на растяжение материала соответствующего слоя. Трещины на
покрытиях становятся заметными при ширине 0,2-1 мм и длине не менее 10
см. Более мелкие трещины или микротрещины визуально не различимы.
Основная часть трещин, возникающих по полосам наката от действия
нагрузки, является результатом усталостного разрушения слоя дорожной
одежды.
Механизм усталостного разрушения состоит в следующем. Хотя
растягивающие напряжения при проходе одного автомобиля значительно
меньше критических, из-за неоднородности материала локальные
напряжения могут существенно отклоняться от среднего значения. В местах,
где они превышают предел упругости пленок битума, связи рвутся.
Повторные приложения нагрузок приводят к накоплению разорванных
связей. В результате через определённое число циклов приложения нагрузок
в нижней части покрытия по полосам наката возникают продольные
волосяные трещины, объединяющиеся затем в большие, образуется сетка
трещин. Трещины растут одновременно в двух направлениях: вверх и по
длине. При дальнейших нагружениях трещина проходит сквозь покрытие и
становится видимой на его поверхности.
Другая часть зарождается на поверхности покрытия или другого слоя и
развивается сверху вниз. Это температурные трещины и трещины,
возникающие в зоне выпуклого изгиба покрытия под действием колес
автомобилей. Большую долю трещин на поверхности покрытия составляют
отражённые трещины. Это трещины старого покрытия, на котором уложен
новый слой асфальтобетона. Опыт показывает, что трещины старого
покрытия в процессе эксплуатации начинают проявляться уже через 1-2 года,
а по истечении 5-7 лет могут полностью повториться на новом покрытии.
Существует много причин образования трещин:
недостаточная прочность дорожной одежды и земляного полотна, не
соответствующая фактическим нагрузкам от автомобилей, вследствие чего
возникают большие прогибы и растягивающие напряжения в слоях дорожной
одежды;
большие перепады температур от положительных к отрицательным, при
которых возникают знакопеременные напряжения; особенно опасны низкие
отрицательные температуры, которые сопровождаются возникновением
очень высоких растягивающих напряжений в слоях дорожной одежды;
недостаточная трещиностойкость асфальтобетонных покрытий,
обусловленная несоответствием деформативных свойств битума реальным
температурным условиям работы покрытий;
различие теплофизических свойств материалов слоев смежных покрытий,
вследствие чего возникают дополнительные напряжения по плоскостям
сопряжения слоев при температурных перепадах;
неравномерное уплотнение земляного полотна и слоев дорожной одежды;
образование пучин, сопровождающееся возникновением сетки трещин в
дорожной одежде.
Появление и развитие трещин не имеет взрывного характера, но
происходит достаточно быстро. Исключение составляют трещины в местах
образования пучин, которые возникают зимой в момент поднятия бугра при
промерзании дорожной одежды и земляного полотна, или весной в момент
полного оттаивания грунта, когда проезжающие автомобили могут
полностью разрушить ослабленную дорожную одежду. В этом случае сетка
трещин может образоваться в течение одного зимне-весеннего периода.
В условиях континентального климата первыми, как правило, появляются
зимой температурные поперечные трещины на расстоянии 40-50 м одна от
другой. Они могут появляться уже в первый год службы дорожной одежды
или покрытия. Продольные трещины, трещины по полосам наката и трещины
произвольного направления возникают обычно через 4 года и более на новом
покрытии. Отражённые трещины могут появиться через 1-2 года после
устройства нового стоя.
Наиболее быстро развиваются трещины весной и осенью, а наиболее
широко раскрываются зимой и весной. В летний период многие мелкие
трещины закрываются за счёт размягчения битума и расширения материала в
покрытии или закатываются колесами автомобилей.
Трещины в цементобетонных покрытиях образуются в разное время, в
различных местах плит, имеют разное очертание и направление, а также
неодинаковую глубину. Количество, протяжённость и ширина трещин
пропорциональны сроку службы покрытия. Трещины имеют различные
размеры по ширине, длине и глубине. Однако общепринятая классификация
трещин отсутствует. Наиболее часто разделяют трещины по ширине, при
этом в разных странах критерии отнесения трещин к тому или иному классу
различаются. Обобщая различные источники, можно предложить
следующую классификацию трещин по ширине: узкие - до 3-5 мм; средние -
5-10 мм; широкие - 10-30 мм и очень широкие - более 30 мм.
В начальной стадии образования трещины практически не оказывают
влияния на условия движения автомобилей до тех пор, пока трещины не
переходят в выбоины. Наличие трещин на покрытии и в дорожной одежде
оказывает очень большое влияние на прочность и срок службы дорожной
одежды по следующим причинам:
трещины нарушают целостность и монолитность дорожной одежды,
разделяя ее на отдельные, не связанные между собой блоки. В результате
нагрузка от колеса автомобиля передается на значительно ослабленную
конструкцию, распределяется на меньшую площадь, создавая в них
повышенные напряжения и деформации;
через трещины вода проникает в основание и земляное полотно и
значительно ослабляет их прочность и несущую способность;
при наезде колёс на кромки трещины отдельные части покрытий
обламываются, стенки трещины перемешаются относительно одна другой в
вертикальной плоскости. В результате кромки обламываются и разрушаются,
стенки раскрашиваются и постепенно трещина превращается в выбоину.
Процесс превращения трещин в выбоины неизбежен, если не предпринять
своевременных мер по ремонту трещин. Важно и то, что попавшая в
раскрытую трещину вода при замерзании увеличивает темп роста трещин по
ширине и длине.
Таким образом, каждая своевременно не устраненная трещина, а тем более
сетка трещин рано или поздно превратится в выбоину.
С позиций восприятия водителем состояния поверхности покрытия и его
влияния на условия движения автомобиля к выбоинам и ямочности можно
отнести местные посадки, проломы, места с сильным выкрашиванием
материала покрытия, а также крупные трещины.
Существует много причин образования ям и выбоин. Одной из главных
причин является недостаточная прочность дорожной одежды, а наличие
широких трещин и тем более сетки трещин служит явным признаком этого.
Опыт показывает, что с уменьшением прочности дорожной одежды
площадь ямочности в процессе эксплуатации резко увеличивается (рис. 5.12).
Как следует из этого графика, среднегодовая площадь ямочности на 8-й год
эксплуатации дорожной одежды капитального типа с асфальтобетонным
покрытием при коэффициенте запаса прочности 1,5 составляет около 0,1 %
от общей площади, а при коэффициенте запаса прочности 1,0 составляет
около 2 %, т.е. в 20 раз больше.
Рис. 5.12. Среднегодовая ямочность в зависимости от коэффициента прочности одежды с
асфальтобетонным покрытием (данные М.Б. Корсунского)
В большинстве случаев начальная стадия возникновения выбоин и
ямочности совпадает с периодом неблагоприятных погодных условий,
особенно с весенним периодом частого перехода от положительной к
отрицательной температуре воздуха, избыточного увлажнения грунта
земляного полотна и слоев дорожной одежды.
Вода, попадая в трещины, усиливает коррозионные физико-химические
процессы в материалах дорожной одежды, а при замерзании оказывает
растягивающее действие на стенки трещин и отдельные частицы материалов.
В сочетании с динамическим воздействием от транспортных нагрузок
материал покрытия в зоне образования трещины начинает разрушаться и
выбиваться, а трещина быстро перерастает в выбоину. Поэтому незаделанная
трещина всегда является потенциальным источником появления выбоин.
Другим источником возникновения выбоин являются неровности
дорожного покрытия, начиная от неровностей, допущенных при устройстве
слоев дорожной одежды, когда не соблюдаются требования к ровности и
однородности в процессе разравнивания и уплотнения материалов, и
включая неровности в виде трещин, сдвигов и наплывов, которые возникают
в процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий из смесей с
повышенной пластичностью.
Сразу после проезда колеса автомобиля через выступ неровности в виде
трещины или выбоины возникает динамический удар на покрытие на
некотором расстоянии за выбоиной (рис. 5.13). Многократное повторение
такого удара приводит к расшатыванию структуры материала, появлению и
развитию еще более крупных трещин или выбоины, которые затем сливаются
в одну большую выбоину. Еще одним источником образования выбоин
служат участки покрытия, где происходит шелушение и выкрашивание
каменного материала.
Рис. 5.13. Пример перехода трещин или раковин в выбоины:
1,2 - трещины или раковины при выкрашивании; 3 - расклинивающее действие воды и
льда и образование трещин в зоне повторного удара; 4 - вторичный удар колеса; 5, 6 -
развитие смежных выбоин и их объединение
В любом случае выбоины и ямы необходимо заделывать на ранней стадии
их образования. Опыт показывает, что каждая незаделанная выбоина
увеличивается в размерах и способствует появлению новых выбоин. В начале
этот процесс идет медленно, а затем приобретает лавинообразный характер.
Если стоимость работ по ямочному ремонту, выполненному ранней весной,
принять за единицу, то с опозданием ремонта на 2-3 месяца эта стоимость
может возрасти в 3-5 раз.
5.5. Условия образования колей и их влияние на движение автомобилей.
Колея - это деформирование поперечного профиля проезжей части с
образованием углублений и гребней выпора вдоль полос наката вследствие
неравномерного износа и накопления пластических деформаций в покрытии,
а также остаточных деформаций в слоях дорожной одежды и земляного
полотна, происходящее при многократном воздействии колёс автомобилей.
Наиболее часто колея образуется на нежёстких дорожных одеждах с
покрытием из асфальтобетона и других битумоминеральных смесей, однако
колея истирания может формироваться и на цементобетонных покрытиях.
Как и большинство других деформаций, колея образуется при
неблагоприятном сочетании двух групп факторов:
внешние факторы - воздействия нагрузки, климатические факторы,
особенно температура воздуха и солнечная радиация, а также условия
увлажнения грунта земляного полотна;
внутренние факторы - физико-механические характеристики дорожной
конструкции: сдвигоустойчивость, структурное состояние, прочность и
степень уплотнения дорожной одежды и земляного полотна, тип грунта и его
свойства.
Самым важным из всех факторов образования колей является воздействие тяжелых
многоосных автомобилей. Процесс образования колей начинается одновременно с
открытием движения по дороге. Вначале он идет медленно, затрагивая только верхний
слой покрытия, а затем распространяется на другие слои дорожной одежды и на земляное
полотно. Однако в случае когда материал какого-то слоя дорожной одежды плохо
уплотнён или имеет низкую прочность и сдвигоустойчивость, остаточные деформации
накапливаются в этом слое и проявляются на поверхности покрытия.
Характер и причины образования колей, а также динамика их развития
могут существенно различаться по сезонам года (рис. 5.14).
Рис. 5.14. Динамика развития составляющих общей глубины колеи по сезонам года
Прежде всего колея может образовываться за счёт доуплотнения слоев
дорожной одежды, если они не были достаточно уплотнены при
строительстве. Колея по этой причине образуется в первый год эксплуатации.
Опыт показывает, что доуплотнение дорожной одежды завершается после
прохода 300 тыс. стандартных осей грузового автомобиля.
В программе HDM-4 принято, что начальное недоуплотнение является
причиной образования колей в 20 % случаев. Однако эта величина получена
при условии, что земляное полотно не участвует в процессе образования
колей. Если принимать во внимание участие земляного полотна, то доля
недостаточного уплотнения слоев дорожной одежды составит 5-10 % от
общего числа причин образования колей.
Износ (истирание) покрытия под действием колёс автомобиля происходит
при торможении и при движении в режиме тяги за счёт неизбежного
проскальзывания шины в зоне контакта колеса с покрытием. Износ
происходит примерно одинаково в течение года, если зимой не применяются
шины с шипами. Учитывая это обстоятельство, можно считать, что в странах
с короткой зимой доля колей по причине износа покрытия составляет около 5
%.
Пластические деформации покрытия являются причиной 15-20 %
случаев образования колеи на асфальтобетонных покрытиях, которые
состоят в накоплении вертикальных остаточных деформаций вследствие
повышения пластичности, т.е. снижения структурной вязкости
асфальтобетона при высоких температурах, которое, в свою очередь,
происходит из-за снижения вязкости битума или вязкого сопротивления
битума сдвигу (рис. 5.15).
Рис. 5.15. Колея, образующаяся в результате вязкопластического размягчения вяжущего:
1 - первоначальное положение щебёнки; 2 - положение щебёнки после смещения; 3 -
щебёнка; 4 - плёнка вяжущего
Одновременно с вертикальными накапливаются и горизонтальные
остаточные деформации, когда под действием сдвигающих напряжений
происходит выдавливание частиц асфальтобетона в стороны. Эти
деформации при многократных повторных приложениях нагрузки
непрерывно возрастают, в результате чего по бокам колеи появляются гребни
или валы.
Накопление пластических деформаций в асфальтобетонном покрытии
происходит летом при температуре воздуха выше 25-30°С, при которой
температура покрытия повышается до 40-60°С и выше. Расчётной
принимают температуру асфальтобетона 40-50°С и выше в зависимости от
вязкости битума.