Исследование работоспособности рабочего слоя поверхностной обработки лесовозных автомобильных дорог на основе традиционных и модифицированных битумов

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕСОВОЗНЫХ

автомобильных дорог на основе традиционных и модифицированных битумов

А.А. КАМУСИН, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, д-р техн. наук,

Д.М. ЛЕВУШКИН, ст. преп. каф. транспорта леса МГУЛ

В стратегии развития лесопромышленного комплекса России на период до 2015 г. лесное дорожное строительство занимает одно из ведущих мест. Для повышения доступности лесных ресурсов России и сохранения конкурентоспособности предприятий необходимо создать развитую сеть лесовозных автомобильных дорог высокого качества, так как на долю перевозки древесины автопоездами приходится до 80-90 % от общего объема транспорта.

Темпы дорожного строительства в России сегодня намного ниже роста автомобильного парка страны. Так, при увеличении численности парка автотранспортных средств на 10-12 % в год общая протяженность и пропускная способность дорог растет менее чем на 1 % ежегодно. Отсутствие необходимого количества дорог - это лишь одна проблема, мешающая развитию экономики. Вторая - их качество. В настоящее время лишь 23 % протяженности территориальной дорожной сети соответствует нормативным требованиям по транспортно-эксплуатационному состоянию, не говоря уже о дорогах местного значения, которые редко ремонтируются из-за недостатка финансирования. Это определяет крайне тяжелые условия работы дорог и их повышенный износ, вызываемый высокой интенсивностью деградационных процессов. Впрочем, только вложением большего количества денег проблему не решить. Необходимо повышать качество их строительства.

Неудовлетворительное состояние значительной части сети дорог, недостаточная их протяженность и развитость, увеличение изнашивающего воздействия на дорожную одежду постоянно растущего грузового движения, дефицит средств, направляемых на строительство и эксплуатацию лесовозных ав-

kamusin@mgul.ac.ru; levushkin@mgul.ac.ru томобильных дорог, привели к необходимости создания комплекса мероприятий по оптимизации программы дорожных работ и обеспечения эффективности использования вкладываемых в дороги средств с целью эффективного управления их качеством. Дорожные одежды лесовозных автомобильных дорог устраивались с широким применением низкопрочных местных материалов, земляное полотно дорог зачастую возводилось из слабых гумуссированных грунтов придорожной полосы. С учетом этих факторов и исходя из двадцатилетней продолжительности жизненного цикла дорог можно сделать вывод, что их прочностные характеристики не соответствуют современным требованиям, что приводит к их ускоренному износу при пропуске эксплуатируемых в настоящее время транспортных средств.

Отсутствие необходимых строительных материалов в районах строительства лесовозных дорог заставляет искать различные способы укрепления проезжей части дорог. Стабилизация грунтов заключается в том, что в дорожный грунт вносят вяжущие органические или минеральные вещества. Для этой цели используют известь, битумы и др.

Работоспособность проезжей части - технико-экономический показатель, характеризующий полезную работу дорожного покрытия за время ее службы. Поскольку одним из базовых факторов сохранности слоя поверхностной обработки являются свойства вяжущего, для изучения связей в подсистеме «вяжущее-щебень» были проведены исследования по сохранности рабочего слоя лесовозных автомобильных дорог в зависимости от применяемого модификатора и свойств модифицированных битумов [1].

Для проведения экспериментальных исследований были использованы битумно-

70

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

Д

О

д

1)

ю

1)

3

X

к

В

оа

д

д

§

о

н

о

о

ц

о

Д

д

о

д

1)

ю

1)

3

X

д

д

д

д

§

о

н

о

о

ц

о

д

Температура -10 °С

Фракция щебня, мм

Температура 0 °С

д

о

д

1)

ю

1)

в

X

S

в

«

s

§

о

н

о

о

4

о

5 V

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

5 - 7 7 - 10 10 - 12,5 12,5 - 15

Температура +10 °С

Фракция щебня, мм

Температура +20 °С

Фракция щебня, мм Фракция щебня, мм

D ПБВ D БНД+Мобит

Рис. 1. Зависимость сохранности рабочего слоя от вида вяжущего, крупности применяемого щебня и температуры испытания

каучуковые вяжущие с применением синтетических каучуков общего назначения типов СКД, СКС-ЗОАРКПН, СКС-ЗОАРК, СКС-ЗО-АРКМ- 27, СКС-30 АРКМ-15 с содержанием полимера в вяжущем в количестве 2,0 - 3,0 %, а также полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ 60, содержащее 3,5 % модификатора ДСТ 30-01, и битум марки БНД 60/90 с применением полимерного ПАВ «Мобит» в количестве 2,0 % по массе. Полимерно-битумное вяжущее отличается от битума повышенной температурой размягчения и более высокими значениями показателей деформативных свойств. У битума с добавкой «Мобит» за счет применения ПАВ более высокое сцепление с гранитом. Наилучшим комплексом физико-механических показателей обладают

битумно-каучуковые вяжущие, которые обладают повышенными показателями деформативных свойств (растяжимостью и глубиной проникания иглы при 0 °С) и сцеплением с минеральным материалом.

О структурной сохранности слоя поверхностной обработки судили по результатам испытаний по методу «Vialit». Этот метод является реализацией физической модели однофакторного воздействия на связи в системе «вяжущее-щебень» путем динамического ударного воздействия. Это позволяет судить о величине адгезии вяжущего к щебню и объемной когезии самого вяжущего, а также об устойчивости этих свойств при различных температурах и фракциях применяемого щебня.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

71

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

БНД60/90+СКС-30АРКМ27

1 I 5 S ё 4

о х

Н S 3

О VO §|2 S 1

ни 1

I I

Е

3,5

^ о

3

1 |2,5 I i 2

О Д _

н S 1,5

о ю ’

О w 1

1

S

и

0,5

0

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

БНД60/90+СКС-30АРКМ15

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

БНД60/90+СКС-30АРКПН

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

7

БНД60/90+СКД-30АРК

6 5

х s В

§ а

4

w о о И _

3

о IO

2

1

0

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

БНД60/90+СКД

7

6

65

о w w о У И

— Н (D

4

3

о а

2

S

М л

1

0

14

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

БНД 60/90

12

10

х s В « s

8

w о о и г

6

о ю

4

о

S

V

2

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

Рис. 2. Зависимость сохранности слоя ШПО на основе БКВ от типа каучука, его содержания в вяжущем и фракции щебня при температуре испытания t = -10°С и расходе вяжущего 0,4 л/м2

7

6

0

0

На начальном этапе исследования был выбран диапазон температур от -10 до 50°С, а в качестве вяжущих были использованы полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ 60, содержащее 3,5 % модификатора ДСТ 30-01, и битум марки БНД 60/90 с применением полимерного ПАВ «Мобит». Расход вяжущего составил минимальный уровень 0,4 л/м2. Результаты испытаний рабочего слоя с применением в качестве вяжущего ПБВ и битума с

добавкой «Мобит» по методу «КиШ» приведены на рис. 1.

Как следует из результатов испытаний с применением ПБВ и битума с ПАВ «Мобит» (рис. 1), во всем диапазоне исследованных температур битум с добавкой ПАВ обеспечивает более высокую сохранность щебенок в рабочем слое в сравнении с полимерно-битумным вяжущим. Это можно объяснить более высоким сцеплением битума с

72

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

СКС-30АРКМ27

14

и 12

Э g 10

ой8 w о у И {Z

О ю

4

2

S

X

S

а н

оа С

s а

о w w о о М Н (D О Ю О g

ч 3

о

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

СКС-30АРКМ15

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

СКД

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

СКС-30АРКПН

12 т---------------------

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

БНД 60/90

18

5-7 7-10 10-12 12-15 15-20

Фракция щебня, мм

Рис. 3. Зависимость сохранности слоя лесовозных автомобильных дорог на основе БКВ от типа каучука, его содержания в вяжущем и фракции щебня при температуре испытания t = 20°С и расходе вяжущего 0,4 л/м2

гранитным щебнем в сравнении с указанным показателем полимерно-битумного вяжущего. Таким образом, проведенное исследование показало, что в диапазоне температур -10...+20°С определяющим показателем сохранности рабочего слоя и устойчивости связей в системе «вяжущее-щебень» являются адгезионные свойства вяжущего. Наличие у вяжущего эластичности и повышенных значений показателей деформативных свойств в

указанном диапазоне температур менее значительно повлияло на сохранность слоя поверхностной обработки.

Полученные предварительные результаты исследования показали, что наиболее определяющим показателем сохранности рабочего слоя в диапазоне температур -10...+ 20°С является показатель сцепления вяжущего с минеральным материалом. Вместе с тем, при более высоких температурах до +50°С

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

73

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

высокая теплоустойчивость модифицированного битума позволит заметно повысить эффективность его применения. Таким образом, в диапазоне температур -10...+50°С наиболее эффективным будет применение модифицированных битумов, которые отличаются не только повышенной деформативностью и теплоустойчивостью, но и улучшенными адгезионными связями с минеральными материалами. К таким вяжущим относятся битумно-каучуковые, получаемые на основе синтетических каучуков общего назначения различных типов [2]. Поэтому была изучена возможность применения для устройства рабочих слоев битумно-каучуковых вяжущих. Указанные вяжущие в силу технологии их получения отличаются повышенным сцеплением с минеральным материалом, высокими физико-механическими характеристиками и внутренними объемными связями [3]. Для исследований был принят диапазон температур -10.+ 50°С, т. к. потери минерального материала при испытании по методу «КиШ» увеличиваются при повышении температуры (рис. 1).

Как показали результаты эксперимента, значительную роль на сохранности минеральных частиц в рабочем слое играет размер применяемых щебенок. На приведенных диаграммах рис. 1 отчетливо видно, что чем меньше размер применяемого щебня, тем выше его сохранность в слое во всем диапазоне рассматриваемых температур. Поэтому в качестве фактора, применяемого для дополнительной оценки сохранности рабочего слоя, нами был введен относительный условный показатель погружения ОУП, т.е. условная относительная высота обволакивания зерна щебня вяжущим. Для наименьшей фракции применяемого щебня 5.7 мм, величина погружения которого в слой вяжущего максимальна (а следовательно, удерживающая способность близка к идеальной) для фиксированного значения расхода вяжущего, условный относительный показатель принят за единицу.

Для более крупных фракций значение ОУП составляет долю единицы в зависимости от глубины погружения зерна в слой вяжу-

щего и конкретно составляет для фракций: 5-7 мм - 1 ед.; 7-10 мм - 0,7 ед.; 10-12 мм -0,58 ед.; 12-15 мм - 0,47 ед.; 15-20 - 0,35 ед. Эти величины для тех же фракций щебня, но иного расхода вяжущего (например, 0,6 л/м2 или более) имеют те же самые значения. Из этого можно сделать вывод, что главным фактором, определяющим долговечность рабочего слоя, являются свойства вяжущего, определенные при любом его фиксированном расходе для заданной фракции щебня.

Результаты оценки сохранности рабочего слоя с применением битумно-каучукового вяжущего на основе синтетических каучуков общего назначения типов СКД, СКС-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-27, СКС-30 АРКМ-15 с содержанием полимера в вяжущем в количестве 2,0. 3,0 % показаны на диаграммах рис. 2,3.

Как следует из результатов, более высокая сохранность слоя характерна для условной высоты погружения со значением ближе к единице с более высоким расходом вяжущего (0,6 л/м2), а также при нормальных и отрицательных температурах -10. - 20°С. Наименьшая сохранность слоя лесовозных автомобильных дорог наблюдается при низком значении показателя высоты погружения, наименьшем расходе вяжущего и повышенных температурах + 50°С. При рассмотрении зависимости сохранности рабочего слоя от вида применяемого модификатора было отмечено, что наиболее эффективно применение каучуков типа СК-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-15 и менее эффективными являются каучуки типа СКД и СКС-30 АРКМ - 27.

Применение БКВ на основе каучуков СКС-30 АРКПН или СКС-30 АРКМ-15 с расходом 0,6 л/м кв. при более высоких значениях показателя высоты погружения щебня (т.е. для фракций щебня 5-7 и 7-10 мм) в наибольшей степени позволяет повысить сохранность рабочего слоя лесовозных автомобильных дорог.

Наиболее низкая сохранность рабочего слоя во всем диапазоне температур при любых значениях показателя условной высоты погружения и расходе вяжущего установ-

74

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011